超临界CO2-DMSO共溶剂体系高效回收废旧锂离子电池中聚偏氟乙烯（PVDF）的研究

为解决废旧锂离子电池中聚偏氟乙烯（PVDF）回收难题，研究人员采用超临界CO2（SCCO2）与二甲基亚砜（DMSO）共溶剂体系，在70°C、80 bar条件下仅需15分钟即可实现55.6 wt%的PVDF高效回收。该研究通过热重分析、扫描电镜等技术证实了方法的快速性与可持续性，为工业规模PVDF回收提供了新思路。

　　

随着全球锂离子电池（LIB）需求激增，预计到2040年将产生约66万吨废弃聚偏氟乙烯（PVDF）——这种广泛用于电极粘接的关键材料。传统PVDF处理方式面临两大困境：高温焚烧会释放有毒氟化物（如HF和PFAS），而溶剂溶解法（如N-甲基吡咯烷酮/NMP）则存在环境风险。更棘手的是，PVDF残留会阻碍电池黑粉（BM）中钴、镍等贵金属的回收效率。如何实现PVDF的高效绿色回收，成为推动电池全生命周期可持续发展的关键瓶颈。

瑞典查尔姆斯理工大学的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表创新成果，首次将超临界CO₂（SCCO₂）-DMSO共溶剂体系应用于工业级电池黑粉处理。通过精确调控DMSO体积（3-7 mL）与CO₂摩尔分数（0.14-0.43），在70°C、80 bar的温和条件下仅需15分钟，即可实现55.6%的PVDF回收率，较常压处理效率提升200倍以上。

研究采用多尺度表征技术：热重分析（TGA）量化PVDF去除率；扫描电镜（SEM）显示处理后颗粒尺寸从93 μm降至43 μm；傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）证实回收PVDF保持α/β/γ多晶相结构；¹⁹F核磁共振（NMR）则追踪了PVDF在DMSO中的溶解行为。

3.1 电池黑粉特性解析
通过水洗预处理去除电解质和羧甲基纤维素（CMC）后，TGA显示PVDF含量从3.37%降至2.16%。密度测定（3.32 g/cm³）为后续CO₂-DMSO三元体系计算提供参数。

3.2 压力对PVDF提取的影响
常压下DMSO处理18天仅去除0.3% PVDF，而SCCO₂体系15分钟即提取29.3%。关键发现是4 mL DMSO时CO₂摩尔分数0.34达到最佳平衡——过量DMSO会降低CO₂对PVDF的"反溶剂效应"。

3.3 材料表征验证
SEM-EDS显示氟原子百分比从50.88%降至30.38%，印证PVDF去除。FTIR在840 cm^-1和1275 cm^-1处的特征峰表明回收PVDF保留电活性β相，这对电池再制造至关重要。

这项研究突破了PVDF回收的时空限制：传统方法需数天且效率低下，而SCCO₂-DMSO体系将过程缩短至分钟级。更重要意义在于，PVDF的优先去除使后续金属回收效率提升——SEM显示去粘结后颗粒分散度显著改善。研究者特别指出，DMSO作为绿色溶剂的优势在于其与SCCO₂的协同作用：CO₂溶胀效应（体积膨胀200%）促进PVDF解离，而DMSO的极性非质子特性（极性60.7 MPa^1/2）保障聚合物链完整性。

该技术已展现工业化潜力：处理后的黑粉可直接进入湿法冶金流程，而回收的PVDF经纯化后可重新用于电极制备。随着全球电池回收产能扩张，这种快速、低能耗的方法为构建"PVDF-金属"双循环体系提供了关键技术支撑。