混合离体电化学与电阻放电技术，用于快速且安全地使废旧锂离子电池失活

《Journal of Energy Storage》：Hybrid ex situ electrochemical and resistive discharge for rapid and thermally safe deactivation of spent lithium-ion batteries

　　

Ari Hardianto|Diah Nur Oktavia|Zuhrotun Nafisah|Hersandy Dayu Kusuma|Fajriana Shafira Nurrusyda|Wiwik Purwadi|Indra Mawardi|Rani Nopriyanti|Adi Saputra Ismy|Dessy Amalia|Septian Ari Kurniawan

印度尼西亚苏梅当市帕贾贾兰大学数学与自然科学学院化学系，邮编45363

摘要

在回收之前对用过的锂离子电池进行放电，可降低剩余电能带来的风险。本研究探讨了一种基于FeSO₄电解质和外部电阻的混合式体外放电系统，作为传统电化学或电阻放电方法的替代方案。通过响应面分析法，确定在实验范围内，0.5 M FeSO₄浓度和1 Ω电阻为最佳条件。在此条件下，电池电压在10分钟内降至1 V以下，而电池和电阻器的温度分别保持在30 °C和40 °C以下。循环伏安法分析表明，Fe²⁺/Fe³⁺电对参与了Cu|FeSO₄界面处的反应，且该反应受扩散控制。放电后的分析显示，电解液中出现了Fe²⁺耗尽、Fe³⁺生成以及可检测到的铜溶解现象。放电过程中还观察到了微小气泡，推测为氢气。估算得出，每个电池产生的氢气体积最多为1.44 mL，相当于容器顶空中的氢气占比约为0.29%（体积比）。在所研究的条件下，电池能够快速放电，且温度不会显著上升。

引言

随着电动汽车需求的增加，锂离子电池的产量也大幅上升[1]、[2]。因此，未来报废电池的数量预计也会不断增加[3]，这给它们的处理和回收带来了巨大挑战。如果对这些报废电池管理不当，残留的电能可能在收集和回收过程中引发短路、热失控甚至爆炸等危险情况[4]、[5]。为有效解决这一问题，可在采取任何处理措施之前先对电池进行放电，从而释放出所有储存的化学能量，使电池失去功能[5]、[6]。

报废锂离子电池的放电方法可分为物理方法和电化学方法两类。在物理或电阻放电方式中，会在电池端子处连接电阻器，以快速消耗剩余电荷，使电压降至安全水平。这种方法简单且无需使用溶剂，但当大电流流经低阻抗负载时，可能会产生过多热量[7]。

原位电化学放电则是将电池浸入电解质溶液中来实现放电，这种方式操作更为安全，但往往存在反应缓慢、电池腐蚀严重以及会释放有害气体等问题[8]。有研究提出，使用FeSO₄溶液作为电解质，可作为一种比具有强腐蚀性的氯化物电解质更温和、毒性更低的替代方案[7]。而体外电化学放电则是通过连接到电池端子的外部导线将电池浸入电解质溶液中来实现的[6]、[8]。尽管体外放电的速度比原位放电快，且能避免电池腐蚀，但仍然需要数小时才能使电池达到可回收的安全状态[6]。

虽然电化学方法具有安全性优势，但所需时间较长[6]；而纯电阻放电虽然速度快，但会产生大量热量[7]。目前尚无研究系统地优化混合式放电方法，以平衡速度与安全性之间的矛盾。在本研究中，我们开发了一种结合体外电化学放电和电阻放电的混合放电方法。该方法以FeSO₄溶液作为放电介质，同时使用外部铜电极和电阻元件来控制放电电流。起初，我们研究了开路系统和闭路系统两种形式：开路系统中，铜电极单独浸入FeSO₄溶液中；而在闭路系统中，电池端子直接相连，或者通过浸入溶液中的铜棒实现短路。我们通过响应面分析法研究了FeSO₄溶液的浓度和体积、铁粉的质量以及电极尺寸等操作参数。研究的目的是在去除电池剩余电能的同时，将电池温度控制在80 °C以下，从而避免爆炸风险[9]。本研究为报废锂离子电池的快速安全放电提供了一种新的方法，弥补了电化学放电和物理放电方法之间的不足。

内容节选

材料

本研究使用了以下材料：NMC 18650型锂离子电池（标称电压：4 V，容量：1500 mAh；日本索尼公司生产）、七水合硫酸亚铁（德国默克公司生产）、1,10-邻菲罗啉一水合物（德国默克公司生产）、六水合硫酸亚铁铵（德国默克公司生产）、可追溯至美国国家标准与技术研究院标准参考物质的硝酸铜标准溶液（德国默克公司生产）、99.5%纯度的醋酸钠（分析级，印度LOBA Chemie公司生产）、十二水合硫酸铁铵（中国西龙科学公司生产）

影响放电持续时间的因素

最初，我们致力于研究如何缩短体外电化学放电的持续时间。根据图1所示的实验装置，我们列出了可能影响放电持续时间的各种因素，包括FeSO₄溶液的浓度和体积、铁粉的用量、铜线的直径以及电路类型。为了分析这些因素对放电持续时间的主效应及交互作用，我们采用了二级分数因子设计，各因素的不同水平为

结论

我们开发了一种结合电化学放电和电阻放电方式的混合体外放电系统，用于使报废锂离子电池失去功能。研究发现，外部电阻会对放电电流和电池温度产生显著影响。通过将能量耗散过程分布在电阻器和电化学界面之间，该混合系统降低了放电过程中电池表面的热量积累。响应面分析法确定，0.5 M FeSO₄浓度和1 Ω电阻为最优参数

作者贡献说明

Ari Hardianto：文章撰写——审稿与编辑、文章撰写——初稿撰写、数据可视化、资源获取、方法设计、资金筹集、正式分析、概念构思。Diah Nur Oktavia：文章撰写——初稿撰写、数据整理。Zuhrotun Nafisah：项目管理工作、数据整理。Hersandy Dayu Kusuma：文章撰写——审稿与编辑、方法设计、资金筹集、正式分析。Fajriana Shafira Nurrusyda：文章撰写——审稿与编辑、正式分析。Wiwik Purwadi：文章撰写——审稿与编辑

关于写作过程中使用生成式人工智能及人工智能辅助技术的声明

作者们使用了生成式人工智能和人工智能辅助技术来进行语法修正和文本改写，以提高文章的可读性，同时还借助这些技术编写R代码。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

我们衷心感谢印度尼西亚教育技术发展局，感谢其在《2025年第05/CA/O号法令》以及《2025年第2/SPK/C·r>C4/PPK.DHK/VI号合同》的框架下，为电池研发项目提供的资助。