梯度热解法高效回收废旧磷酸铁锂正极材料的关键技术与机理研究

针对废旧磷酸铁锂电池（SLFPBs）回收过程中高温焙烧能耗高、二次污染严重等问题，研究人员提出梯度热解法，通过精准控温实现铝箔与黑粉低温分离（350°C）、有机杂质中温去除（650°C），同步完成磷酸铁锂（LFP）还原再生。再生材料在0.1C倍率下循环30次后容量保持率达96.75%（160 mAh·g–1），为短流程、高效回收提供新策略。

　　

随着电动汽车产业爆发式增长，全球锂离子电池（LIBs）年产能预计2028年将突破1103 GWh。作为主流动力电池之一，磷酸铁锂电池（LFPBs）因安全性高、循环寿命长备受青睐，但其5-10年服役周期后产生的废旧电池若处置不当，将导致电解液泄漏、重金属污染等环境风险，同时蕴含的锂资源品位远高于原生矿石。当前回收技术面临两难困境：火法冶金需800°C以上高温且产生SO_x污染，湿法冶金存在酸碱消耗大、废水处理难等问题，而直接再生技术又受制于铝杂质和粘结剂残留。

山西高校科研团队在《Separation and Purification Technology》发表研究，创新性提出梯度热解回收策略。通过热重-质谱联用（TG-MS）和X射线衍射（XRD）分析废料热化学行为，建立三阶段控温模型：350°C下聚偏氟乙烯（PVDF）分解弱化铝箔界面结合力，650°C同步实现碳黑氧化和LFP还原再生。关键技术包括原位裂解-氧化协同调控、Fe³⁺/Fe²⁺价态转换优化等。

热化学行为分析
TG-MS显示PVDF在320-400°C分解产生HF，腐蚀铝箔表面氧化层形成AlF₃，使黑粉剥离效率达98.2%。差示扫描量热（DSC）证实650°C时碳黑氧化放热促进FePO₄向LiFePO₄转化。

材料表征
扫描电镜（SEM）显示再生LFP颗粒保持1-3μm类球形结构，X射线光电子能谱（XPS）证实Fe²⁺占比恢复至81.4%。比表面积测试（BET）表明碳包覆层形成多孔导电网络。

电化学性能
恒流充放电测试显示再生材料在0.5C倍率下首周放电比容量达152.4 mAh·g^–1，循环100次后容量衰减率仅0.15%/周。电化学阻抗谱（EIS）证实界面电荷转移电阻降低56%。

该研究突破传统回收技术瓶颈，将工艺流程缩短60%，能耗降低45%。通过揭示PVDF-Al界面反应机制和FePO₄/LiFePO₄相变规律，为动力电池绿色回收提供理论依据。值得注意的是，再生材料中残留Al³⁺（<0.02 wt%）对电化学性能无显著影响，但工业化放大时需优化热解气体处理系统。研究获得国家自然科学基金（22306176）和山西省基础研究计划（20210302124462）支持，相关技术已应用于湖南邦普循环科技有限公司的废电池回收产线。