Toward Joule heating recycling of spent lithium-ion batteries: A rising direct regeneration method

废锂离子电池焦耳热回收：一种新兴的直接再生方法

Haoxuan Yua,d, Meiting Huanga, Yifeng Lia, Liang Chenb,*, Hui Lvd, Liming Yangc,*, Xubiao Luoa,c,*

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2025.01.065

PDF原文

Journal of Energy Chemistry, 2025

论文亮点

研究背景

研究方法

本研究系统分析了焦耳热回收(JHR)技术在废锂离子电池回收中的应用：

  1. 预处理阶段：包括钝化、拆解和分离三个步骤，为后续回收做准备
  2. 焦耳热回收策略：
    • 闪蒸焦耳加热(FJH)：对精细分离后的电极粉末进行瞬态高温处理
    • 碳热冲击(CTS)：直接处理拆解过程中分离的电极，无需深度分离
  3. 材料性能评估：从电化学性能、环境友好性和经济效益多维度评估JHR技术
  4. 比较分析：与传统湿法冶金、火法冶金和直接再生方法进行对比分析

主要结论

研究结果与分析

废锂离子电池的三种主要回收方法

废锂离子电池回收方法对比
图1. (a) 废锂离子电池的三种主要回收方法

研究比较了湿法冶金、火法冶金和直接回收三种主要方法。传统方法存在高能耗和二次污染问题，而直接回收法特别是焦耳热回收(JHR)技术因其高效、环保而显示出巨大潜力。

锂离子电池回收的预处理过程

LIBs回收预处理过程
图2. LIBs回收的预处理包括(a)钝化、(b)拆解和(c)分离

预处理是回收过程中的关键步骤，包括钝化(释放残余能量)、拆解(分离电池模块)和分离(活性物质与集流体分离)。这些步骤为后续的高效回收奠定了基础。

石墨阳极的快速回收与再生

石墨阳极回收结果
图3. 石墨阳极的焦耳热回收结果

研究表明，通过闪蒸焦耳加热(FJH)和碳热冲击(CTS)技术，可在不到1秒的时间内实现石墨阳极的高效再生。再生后的石墨保持了原有的三维层状结构，表现出优异的电化学性能，在0.2C下的比容量达到351.0mAh/g。

阴极废料的快速回收

阴极废料回收结果
图4. 阴极废料的闪蒸回收结果

对于阴极材料，JHR技术同样显示出巨大潜力。通过闪蒸回收工艺，可在几秒钟内实现LCO材料的再生，再生后的材料呈现层状氧化物结构，具有较好的电化学性能。

不同回收方法的经济与环境分析

经济与环境分析
图5. 不同回收方法的经济与环境分析

经济与环境分析表明，JHR方法在能耗、水耗、气体排放和成本方面均显著优于传统湿法冶金方法。CTS回收的处理成本低至2.48MJ/kg电池，仅为湿法回收的2%，排放减少达97%。

焦耳热回收的挑战与前景

挑战与前景
图6. 废锂离子电池焦耳热回收的挑战与前景

尽管JHR技术显示出巨大潜力，但仍面临材料选择、能量控制、微观结构完整性等挑战。未来需要在直接再生改进、进一步升级回收和工业回收创新等方面进行深入研究。