锂离子电池正极材料高效分离技术：底漆涂层在电脉冲放电中的作用机制研究

为解决锂离子电池(LiB)回收过程中正极活性材料(CAMs)与铝箔高效分离的难题，日本研究人员通过电脉冲放电法系统研究了三种底漆涂层(A/B/无涂层)对界面剥离行为的影响。研究发现含底漆B的样品在低能耗(1.1 J/mm3 )下实现100%分离率且保持铝箔完整性，揭示了热应力与焦耳热协同作用的剥离机制，为设计可回收高性能电池提供了新思路。

　　

随着全球电动汽车和可再生能源存储需求的激增，锂离子电池(LiB)产量呈现爆炸式增长，但随之而来的退役电池处理问题日益严峻。据预测，2017-2030年间全球废弃LiB总量将超过1100万吨。这些电池若处理不当，不仅会释放氢氟酸、重金属等有毒物质，还会造成锂(Li)、钴(Co)、镍(Ni)等战略资源的巨大浪费。传统回收方法如机械分离、火法冶金和湿法冶金存在分离精度低、能耗高或环境污染等问题，特别是当电池采用增强界面粘接的底漆涂层技术后，正极活性材料(CAMs)与铝箔的分离变得更加困难。

针对这一技术瓶颈，日本石墨工业株式会社研发中心的研究团队创新性地采用电脉冲放电法，系统研究了不同底漆涂层对CAMs剥离行为的影响。研究人员设计了三种正极样品：无涂层、含50wt%石墨的底漆A和含10wt%石墨的底漆B，通过高速摄像、扫描电镜(SEM)和显微红外光谱(FT-IR)等多维表征手段，结合热传导模拟，揭示了电脉冲诱导剥离的物理机制。相关成果发表在《Waste Management》上，为开发兼具高性能和可回收性的电池提供了重要理论依据。

关键技术方法包括：(1)采用6.4μF电容放电系统，在7.7-10kV电压下对80mm长正极片进行脉冲处理；(2)通过高速摄像记录等离子体膨胀过程；(3)利用SEM和显微FT-IR分析剥离界面微观结构；(4)基于COMSOL模拟计算各层温度分布和热应力。所有样品均来自日本石墨工业株式会社，包含15μm铝箔、5μm底漆和90μm CAMs层(Li(Ni_0.8
Mn_0.1
Co_0.1
)O₂
/PVdF/碳黑)。

研究结果部分：

1. 电脉冲放电对CAMs的影响
   高速摄像显示等离子体在电极区域首先形成，膨胀长度达20.8-26.5mm。电流-电压曲线表明无涂层样品需最高能量密度(2.0 J/mm³
   )，而底漆B仅需1.1 J/mm³
   。

2. CAMs的剥离行为
   无涂层样品虽达98.9%剥离率，但铝箔碎裂率达37%；底漆A样品93.2%剥离率，残留石墨于界面；底漆B实现100%完整剥离且保持铝箔形态，展现出最广的操作窗口。

3. 剥离界面观察
   SEM和FT-IR证实：无涂层样品在Al/CAMs界面分离，底漆A在CAMs/底漆界面分离，底漆B则在Al/底漆界面分离。底漆B样品CAMs侧检测到CH₂
   峰，表明残留底漆组分。

4. 讨论
   热模拟显示：底漆B因低热导率(0.5 W/(m·K))和高比热容(2200 J/(kg·K))产生显著温度梯度，其弯曲热应力(>3MPa)成为主导剥离力。相比传统焦耳加热，电脉冲通过瞬时热梯度(ΔT达200°C)和等离子体膨胀的协同作用实现高效剥离。

该研究得出三项重要结论：首先，底漆B通过优化热物理参数，在低能耗下实现界面精准剥离；其次，剥离机制由界面粘接失效、等离子体膨胀、水平热应力和弯曲热应力共同决定；最后，底漆涂层设计需兼顾电池循环性能(增强粘接)和回收便利性(可控剥离)。这一发现突破了高性能电池与可回收性难以兼得的技术悖论，为可持续能源存储系统的发展提供了新材料设计范式。特别值得注意的是，底漆B中10wt%纳米石墨(5μm)与树脂的独特配方，既保证了电池运行时的导电需求，又为回收时的界面弱化创造了条件，展现出"设计即回收"的前瞻理念。研究团队建议未来开发热响应型智能底漆材料，通过分子设计精确调控界面粘结强度在不同工况下的变化规律，最终实现LiB全生命周期的高效管理。