《Advanced Sustainable Systems》：Batteries From Reused, Recycled, and Surplus Materials
编辑推荐：
将再利用电池、翻新组件以及回收或剩余材料整合至当前及下一代储能技术中的趋势，日益受到环境问题、资源稀缺、监管压力和经济激励的驱动。尽管可用于回收的报废（EoL）电池数量仍不足以满足快速增长的需求，但来自电池行业之外的二次原料，包括生物质衍生资源以及冶金、电子和
将再利用电池、翻新组件以及回收或剩余材料整合至当前及下一代储能技术中的趋势，日益受到环境问题、资源稀缺、监管压力和经济激励的驱动。尽管可用于回收的报废（EoL）电池数量仍不足以满足快速增长的需求，但来自电池行业之外的二次原料，包括生物质衍生资源以及冶金、电子和石油炼制行业的残留物，正日益被视为补充性供应选择。然而，其部署受限于满足电池级纯度规格的能力，这些规格取决于化学体系，并强烈影响工艺可行性和成本。本综述总结了最新进展、持续存在的瓶颈以及构建更具韧性和可持续性的电池材料供应链的实用策略。研究人员调查了材料、组件、电芯和电池包层面的再利用、翻新和回收方法；评估了替代原料路线；并讨论了可持续设计理念、经济和环境影响、监管驱动因素、生命周期评估（LCA）、回收可行性以及电池护照等可追溯性工具。这些视角共同勾勒出加速循环、可扩展且合规的电池制造的可行路径。
本文系统综述了将再利用电池、回收材料及跨行业剩余资源重新整合至锂离子电池（LIBs）及下一代电池制造中的研究进展与策略，涵盖系统组件再利用、直接回收、冶金回收以及非电池行业原料供应四大核心维度。
1 引言
随着全球对锂离子电池及新兴下一代技术需求的持续攀升，确保可持续且具韧性的材料供应链已成为关键的产业与社会挑战。至2030年，全球电动汽车（EV）车队预计将从2025年底的近8000万辆增长至2.5亿辆，年销量预计接近4500万辆。这一增长将驱动电池及其原材料需求空前扩张。与此同时，退役锂离子电池数量激增带来重大安全与环境挑战，包括电击、电解液泄漏、热失控等安全隐患，以及镍（Ni）、钴（Co）等金属污染风险。在此背景下，整合回收与剩余材料进入电池制造获得强劲动力，受可持续发展目标、资源安全关切及日益凸显的经济效益驱动。新电池法规，特别是在欧盟（EU）和北美，正加速价值链各环节的可持续设计理念 adoption，包括可回收性、可维修性不尽设计、生产环境足迹降低，以及闭环回收路线开发。设计可拆解性（design for disassembly）成为循环性的核心使能因素，包括模块化电池包架构、可逆连接策略及简化机械分离路径。
2 电池到电池：多层次回收策略
电池回收可在系统层次结构的多个层级进行，分为"电芯以上"方法（将电芯视为最低单元，避免打开）和"电芯以下"方法（涉及电芯破拆，通常通过 shredding/crushing 及分选）。
2.1 系统与子组件再利用
当电池系统不再满足主应用性能要求时，可通过级联利用（cascade use）进行再利用，从高性能应用转移至较不苛刻的应用。关键健康指标包括健康状态（SOH）、荷电状态（SOC）、自放电率和剩余使用寿命（RUL）。先进诊断工具包括电化学阻抗谱（EIS）、增量容量分析（ICA）和动态应力测试（DST）。自动化系统结合人工智能（AI）驱动的分类与健康评估可实现规模化分拣。磷酸铁锂（LFP）因更长的循环寿命和热稳定性更适合控制较少的二次寿命应用，而镍锰钴（NMC）电池能量密度更高但老化后安全风险更大。欧盟电池法规（EU）2023/1542 和 EN 18061:2025 等标准正逐步规范化这些安全策略，而电池护照等数据透明措施对于第二寿命市场的可扩展性至关重要。
2.2 直接回收
当单体电芯性能过低无法再利用时，可拆解电芯并对其组件（活性材料、电解液、集流体、隔膜）进行再生，无需完全结构性和化学性溶解，此方法称为直接回收（direct recycling）。
2.2.1 电芯降解机制
电池降解包括材料劣化、氧化还原材料损失、电解液氧化分解、固体电解质界面（SEI）过度生长、枝晶生长和隔膜堵塞。阴极材料性能衰减的关键机制包括活性锂损失、过渡金属溶解、结构降解（阳离子无序、颗粒碎裂、相变）和晶格氧损失。NCM 材料（尤其高镍组成如 NCM811）易发生层状结构向尖晶石或岩盐相转变；LFP 主要因界面阻抗膜增长和机械疲劳导致容量衰减；LCO 在高电压下发生 Co 迁移和相转变。下一代化学体系如 Li–S 和 Li–O
2 电池面临多硫化物穿梭效应、反应中间体不稳定等新降解路径。
2.2.2 LIB 阴极直接回收
阴极材料直接回收策略包括固态烧结（通常低于1000°C，添加 LiOH 或 Li
2CO
3）、水热修复（约220°C）、化学再锂化（有机溶剂中 LiBr/LiI）、熔盐/离子液体处理（175°C–440°C）以及电化学再锂化。工业化挑战包括高效分离活性阴极材料、处理输入材料的组成多样性和降解状态变异性。冰块剥离技术和水电解质分离技术可实现超过90%的回收效率。
2.2.3 石墨回收
石墨回收需保持结构完整性并达到高于99.9%的纯度。工业流程通常包括电池收集放电、预处理（shredding 或机械分离）、黏结剂去除（热解或溶解）、分离工艺（筛分、浮选、磁选、静电分选）以及浸出纯化。泡沫浮选是从黑色物质（<100 μm）中回收石墨的有前景技术。全球石墨需求从2016年至2023年增长170%，预计2030年进一步增长236%达4310 kt/年，使其成为欧盟和加拿大的关键原材料（CRM）。
2.2.4 电解液回收
电解液回收面临配方复杂性、循环降解产物污染、制造商间变异性大及专有利害等挑战。回收方法包括离心分离、气流辅助分离、真空过滤、蒸馏相分离、冷冻收集以及超临界 CO
2 选择性萃取。固态电解质（SSEs）如 β-Li
3PS
4 和 Li
3InCl
6 可通过溶解-重结晶策略直接回收。
2.2.5 集流体回收
集流体（铜箔/铝箔）直接回收目标是以高纯度金属流形式回收 Al/Cu，避免不必要的化学转化。需通过物理分离、清洁，并经提纯/精炼（通常涉及重熔）、铸轧等常规金属加工步骤才能重新进入电池供应链。
2.2.6 隔膜回收
隔膜通常为聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）或 PE-PP-PE 三层结构。新兴回收技术包括机械分离清洗后重新认证使用，或将聚合物材料回收用于包装、建材等二次用途。
2.2.7 黏结剂回收
传统 PVDF 黏结剂在处理时释放 HF 等有毒气体。替代方案包括超临界 CO
2 萃取结合 DMSO 或丙酮等可回收溶剂（PVDF 回收率>90%），以及开发水溶性黏结剂系统。创新黏结剂包括聚丙烯酸（PAA）、pH 响应性 α-硫辛酸（LA）/甲基丙烯酸甲酯（MMA）衍生物、以及可持续来源的11-氨基十一酸聚电解质黏结剂等。
2.3 冶金回收
当电池无法再利用或直接修复时，需通过火法冶金（pyrometallurgy）和湿法冶金（hydrometallurgy）回收有价元素。火法冶金适合大规模混合进料，但通常无法经济回收锂且能耗高；湿法冶金金属回收效率高、选择性更好，但产生危险液体废弃物。混合流程结合两者优势。新兴绿色路线包括生物冶金（bioleaching）、低温熔盐处理和电化学回收。NMC/NCA 等高价值阴极支撑元素回收路线，而 LFP/LMFP 等低价值高容量化学体系更需要低成本直接再生路线。
3 跨行业原料供应
当报废电池数量不足以满足快速增长需求时，非电池废料和剩余流可提供补充性二次材料供应，包括生物质、冶金副产品、电子废弃物、光伏（PV）废料等。
3.1 生物质原料/废弃物
3.1.1 碳材料
生物质衍生碳可用于合成石墨（LIB 阳极）、硬碳（HC，钠离子电池阳极）、多孔碳载体及结构支撑材料。生物石墨生产涉及碳化和高温石墨化（约3000°C）；HC 通过 1000°C–2000°C 热解生物质废弃物获得，其无序结构有利于钠离子存储。
3.1.2 聚合物
生物衍生聚合物用于隔膜（纤维素纳米纤维 CNF、细菌纤维素、壳聚糖、海藻酸钙等）、聚合物固态电解质（凝胶聚合物电解质 GPEs，如羟乙基纤维素 HEC、羧甲基纤维素 CMC）、黏结剂（木质素、壳聚糖、海藻酸钠）及密封胶。
3.1.3 氧化还原物种
生物质衍生氧化还原活性分子包括醌类（木质素氧化衍生物、天然醌类如指甲花醌）、黑色素、腐殖酸等，可用于赝电容电极或氧化还原液流电池（RFBs）电解质。
3.1.4 其他
包括电解液组分（碳酸二烷基酯非光气合成、生物基溶剂如 Cyrene）、硅基阳极材料（稻壳灰 RHA 等含硅生物废料经镁热还原制备纳米硅）及热界面材料（TIMs）。
3.2 化石衍生有机废弃物
废弃塑料、轮胎等碳富集废料可通过热化学处理转化为电池用碳材料（阳极、导电添加剂、隔膜涂层），化学回收升级电解液相关聚合物，或重新配制用于封装和 TIMs。
3.3 工业金属
从其他工业回收的金属可用于电池集流体（Cu/Al）、插层阴极金属（Ni、Co、Mn、Fe、Li）、阳极金属/电解质离子（Zn、Fe、Co、Cu、Al）、全钒液流电池（VRFB）电解液用钒、以及转换型电池电催化剂（Fe–N–C、Co–N–C 等）。
3.4 其他剩余/废弃物流
包括从地热/盐湖卤水中提取锂、海水淡化副产钠、钾镁离子来源、光伏硅废料（切割废料硅、退役组件回收硅）及石油炼制副产品硫（用于金属-硫电池）。
4 可持续设计
4.1 材料层面
优先策略包括减少稀缺/问题原材料依赖、开发无毒/低毒性化学体系（氟化物自由电解液、水系电解液）、采用水基黏结剂、发展生物基材料，以及简化组成结构以提高EOL可追溯性和分离效率。瞬态高温冲击（HTS）技术可在数秒内实现阴极材料直接回收。
4.2 电极与电芯层面
新兴架构包括自支撑电极（减少或消除金属集流体）、无黏结剂电极、干电极制造、负极无锂架构，以及工程化弱键合界面（如石墨烯缓冲层）以实现可控脱层。
4.3 系统层面
三大技术框架结合：(i) 模块化设计；(ii) 可逆连接与可拆解设计技术（可逆黏结剂、无胶连接、卡扣/快拆结构、热触发释放机制、激光切割等选择性拆解工具）；(iii) 数字跟踪/可追溯性（电池护照、数字孪生）。ISO 20887:2020 定义了可拆解设计原则。
5 经济、环境与社会影响及监管方面
5.1 回收规模化：技术、可持续性与经济性
湿法冶金相比原生材料生产降低约10.7%的温室气体（GHG）排放和11.3%的成本；直接回收仅消耗湿法冶金15%–57%的能源。锂回收成本约 5.36 �/kWh，比原生碳酸锂（约 12.26 �/kWh）低 56%。全球石墨阳极市场预计从2023年85亿欧元增至2033年275亿欧元。欧洲回收物流采用"中心-辐射"混合架构最优——区域设施进行收集和预处理， centralized 工厂进行高技术升级精炼。
5.2 监管格局
欧盟电池法规（EU）2023/1542 将报废 LIBs 及中间产物（如黑色物质）分类为危险废物，强化回收效率和材料回收目标，引入新电池最低回收含量要求，并扩展关键原材料追溯期望。巴塞尔公约 2022 年修正案于 2025 年 1 月生效，将电子废物纳入管控范围。经合组织（OECD）关于废物越境转移的决定为成员国间废物贸易提供框架。
5.3 回收与新兴技术的生命周期评估
石墨和锂回收的 LCA 研究表明，回收可显著降低全球变暖潜能值（GWP）。光伏板废料中硅回收（FRELP 项目玻璃回收率 98%、铝 99%、硅 95%）为新兴电池技术提供二次材料。前瞻性 LCA（PLCA）用于评估低技术就绪水平（TRL）的新兴技术，但面临可比性、数据质量和不确定性三大挑战。
5.4 电池护照对价值链可追溯性的影响
欧盟电池法规要求 2027 年 2 月 18 日起，每块容量超过 2 kWh 的工业和电动汽车电池必须关联唯一数字电池护照（DBP）。DBP 采用多层数字架构：公开层（QR码）、隐私层（授权访问化学组成和拆解说明）、以及基于零知识简洁非交互式知识论证（zkSNARKs）的区块链加密安全。据全球电池联盟（GBA）估计，标准化数据可降低第二寿命运营商物流和诊断测试成本高达 20%。
