水基超声剥离技术：锂离子电池电极废料绿色回收的高效预处理方法

为解决锂离子电池制造中电极废料的直接回收难题，研究人员开发了一种水基超声剥离技术。该研究聚焦阴极材料（含稀缺金属Ni/Co/Mn）与铝箔集流体的高效分离，通过优化超声频率（40-170 kHz）和周期性扫频，实现99%以上阴极材料剥离且铝箔零损伤，回收粉末中Al杂质<0.02 wt%。这项非热、非机械的短时水处理工艺为电池回收提供了低环境影响的预处理方案。

　　

随着全球锂离子电池（LIB）产能激增，制造过程中产生的电极废料正成为亟待解决的资源与环境问题。这类废料的活性材料降解程度远低于退役电池，是直接回收（Direct Recycling）的理想对象。然而，阴极材料因使用难溶于水的聚偏氟乙烯（PVDF）粘结剂，传统水处理难以有效剥离，而热解或有机溶剂（如N-甲基吡咯烷酮/NMP）法又面临高能耗、毒性污染等挑战。如何实现高效、绿色的电极分离，成为制约电池循环经济的关键瓶颈。

日本研究人员在《Waste Management》发表的研究中，创新性地提出水下超声处理方案。针对镍钴锰（NCM）三元氧化物阴极与铝（Al）箔集流体的界面结合特性，系统探究了频率参数（40-170 kHz）、扫频模式对材料剥离效率与纯度的调控机制。研究发现，低频超声（40 kHz）虽能增强空化效应促进剥离，但会导致Al箔穿孔；而采用170 kHz高频结合周期性扫频可分散驻波，在30秒内实现99%以上的阴极材料剥离，且Al箔保持完整。回收的LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂粉末中Al杂质含量仅0.02 wt%，显著优于传统机械研磨法。研究还揭示水浸润预处理会因Al/电极界面形成花瓣状化合物抑制剥离，需精确控制浸泡时间。

关键技术方法包括：1）多频段超声处理系统（40-170 kHz，250 W）；2）周期性频率扫频技术；3）工业级NCM阴极废料样本（40×100 mm，PVDF粘结）；4）电感耦合等离子体（ICP）分析金属杂质含量。

主要研究结果：

1. 不同超声条件下的阴极材料剥离
   80 kHz单频处理导致Al箔局部穿孔，而120 kHz以上配合扫频可避免损伤。170 kHz+扫频组合实现最高剥离效率（>99%）与最低Al污染（0.018 wt%），证明高频分散空化冲击是保护集流体的关键。

2. 水浸润预处理的影响机制
   超过5分钟浸泡会引发Al箔表面钝化层反应，形成微观花瓣状结构增强界面结合力，使后续超声剥离效率下降40%。这表明预处理时间需控制在2分钟内以保持工艺稳定性。

3. 与有机溶剂法的对比优势
   相较于传统NMP溶解法（1小时/50°C），水基超声处理将能耗降低90%，时间缩短至30秒，且无需有毒溶剂。剥离后阴极材料的XRD显示晶体结构完好，满足直接再生要求。

结论与意义：
该研究开创了非热、非机械的短时水基超声剥离技术，为LIB电极废料回收提供了革命性预处理方案。通过频率参数优化，首次实现阴极材料的高效（>99%）、高纯（Al<0.02 wt%）分离，同时避免集流体损伤。工艺全程仅用水作为介质，兼具安全、低成本（预计比NMP法节省60%处理成本）与低碳排放（CO₂减排达85%）优势。这项技术特别适用于电池制造废料的直接回收场景，为稀缺金属（Ni/Co/Mn）的闭环利用奠定基础，推动绿色制造与资源可持续发展。未来研究可进一步探索超声参数与不同电极配方（如磷酸铁锂/LFP）的适配性优化。