研究背景
電氣化進程正迅速推進，而回收是實現循環電池生命周期的關鍵。然而，隨著鋰離子電池（LIBs）在現代技術中的應用不斷擴展，越來越多復雜元素的加入引入了復雜的退化行為，這給回收帶來了挑戰。基于冶金的材料提取方法不依賴于材料退化的復雜性，但以犧牲經濟性和環境可持續性為代價。盡管直接再生預計能減少回收的環境影響并提高經濟效益，但它無法有效應對不同尺度和參數下的故障。為了有效管理日益增長的廢棄LIB流，必須采取多方面的策略。回收機制的最新進展突顯了理解電池故障機制的重要性，以實現環保和可持續的回收實踐。有鑒于此，浙江大學陸俊、武漢理工大學尤雅等3位研究者在“Nature Reviews Materials”期刊上發表了題為“Understanding materials failure mechanisms for the optimization of lithium-ion battery recycling”的最新綜述論文。他們討論了最先進的LIBs中的故障機制，從粒子尺度到電池尺度，提供了回收工作中的見解。總結了材料提取和直接再生的最新進展，并對回收中的最緊迫挑戰、回收過程的優化以及下一代電池的回收策略提出了展望。
綜述亮點
（1）本文總結了鋰離子電池（LIBs）回收的現狀及其面臨的挑戰，探討了在電氣化進程加速的背景下，電池退化行為的復雜性對回收帶來的影響。得出了回收策略需在多個方面進行優化，以應對日益增加的廢棄電池流。（2）本文討論了鋰離子電池的退化機制，包括從粒子尺度到電池尺度的故障分析，闡述了基于冶金的材料提取方法和直接再生策略的優缺點。結果表明，冶金法雖然不受材料退化復雜性影響，但在經濟性和環境可持續性方面存在較大挑戰。直接再生策略被認為能減少環境影響并提高經濟效益，但難以應對不同退化尺度和參數的失敗問題。（3）為了有效管理廢棄LIB流，本文提出了多方面的回收策略，包括優化回收過程和提升回收效率。并總結了材料提取和直接再生方法的最新進展，提供了改善回收效果的技術路徑。
圖文解讀
結論展望
鋰離子電池（LIB）的回收仍然面臨挑戰，需要多學科合作才能成功實現綠色轉型。隨著表征技術的快速發展，從電池模塊到粒子級別的多尺度理解正被用于全面了解電池的日歷老化過程。通過對電池故障的深入洞察，特別是對電極磨損和化學分解過程的理解，回收工作可以優化，以最大化資源回收并最小化環境影響。直接再生方法及其改進機制的指導原則尤為重要。能源存儲的二次應用是實現可持續性的必要平行戰略。表征技術揭示了電極和粒子級別的故障機制，但它們也應在理解修復機制中發揮作用。目前有呼聲希望利用表征方法來判斷電池的狀態并選擇最合適的回收路線，但由于大規模檢測的先進表征技術尚無法普及，這在現實中仍不可能實現。因此，除了在電池設計階段納入可追溯策略外，回收部門很難在原子層面檢查電池的狀態。目前能夠做的是篩選出適用于二次應用的電池，并檢查某一材料的平均組成來確定再生所需的鋰鹽量。當電池的可追溯性得到改進，精確電池表征的成本降至可接受范圍時，基于先進表征結果設計合適的回收路線將成為可能。隨著再升值（upcycling）策略的出現，深入理解不同電活性材料的退化機制為通過回收準備各種陰極材料提供了機會。 需要注意的是，為了提高電池性能所采取的措施可能會給高效直接再生和再升值帶來額外挑戰。例如，商業電解液配方中引入了功能性添加劑，以獲得更長的循環穩定性和高電壓性能。然而，這些添加劑及其分解產物對電活性顆粒的化學力學性質的影響尚不完全了解。此外，制造部門熱衷于通過“混合”策略追求更好的性能。將不同的陰極材料以某種比例混合，確實可以利用某些材料如富鋰材料和硅微粒，但混合的陰極或陽極材料可能最終會被降級。面對這些挑戰，需要重新審視直接再生的真正潛力，并應建立新的模型來計算直接再生的環境影響和經濟反饋。除了通過深入了解材料退化推進回收技術外，材料設計也可以幫助增加回收量。合理的設計可以簡化材料分離，解決如聚偏二氟乙烯粘結劑與活性材料及銅箔之間強力結合等問題。開發水溶性粘結劑和導電添加劑可以幫助分離過程。此外，優化活性材料的形態并創造與綠色回收方法兼容的材料，將支持更可持續的回收過程。從可持續性角度來看，減少摻雜劑有助于元素提取和直接再生過程。此外，過渡金屬氧化物具有不同晶體結構和價態下的光學、電學和熱學響應，提出了一個令人興奮的研究方向。探索如何利用這些響應來增強回收或恢復性能，而不損害電化學特性，將是一個有趣的研究方向。標準化材料成分并整合閉環設計，進一步促進電池技術的高效回收和循環利用。 總的來說，回收始終是閉環的必要步驟。隨著鋰離子電池的商業化不斷重塑能源技術的格局，必須相應地調整資源利用模式。有效的回收技術在這一過程中至關重要，需要全面的策略來應對回收過程中的各個方面。材料探索和創新是回收技術不斷發展的基石。下一代電池的回收，包括轉換型陰極和基于合金的陽極，也需要大量努力。多步轉換過程的固有復雜性使得很難識別回收方法需要處理的不同充電狀態下的“最終產品”。然而，支持基材，如催化劑摻入的碳布，將值得回收。鑒于固態有機電解質日益受到關注，固態電解質的回收或再生也有前景，但設計合適的回收路線需要首先解決其主要化學問題。高分子量聚合物的引入進一步使回收過程復雜化，增加了潛在路線的不確定性。理想情況下，對于大多數固態電解質，應將鋰枝晶的形成和滲透視為主要缺陷，無論暴露于空氣和濕氣后產生的副產物如何。一個有前景的策略可能是與補充鋰鹽混合并退火，特別是在準固態電解質中，因為這種方法可能有助于離子電導率的直接恢復。實現可持續資源利用和循環經濟原則的旅程，依賴于各行業、學術界和政府部門的共同努力。通過優先推動回收舉措并投資于研發工作，研究者可以為實現更加可持續的未來鋪平道路，在這個未來中，資源效率和循環利用的原則將得到遵循。Zheng, M., You, Y. & Lu, J. Understanding materials failure mechanisms for the optimization of lithium-ion battery recycling. Nat Rev Mater (2025). https://doi.org/10.1038/s41578-025-00783-5
