综述：超越电池悖论：第四代ENDS架构的技术综述与战略性循环设计框架

《Journal of Environmental Management》：Beyond the battery paradox: A technical review of 4th-Generation ENDS architecture and a strategic circular design framework

　　

全球范围内第四代电子尼古丁输送系统（ENDS）的兴起已引发一场严重的环境危机，其根源在于一种阻止材料分离的一体化架构——这一现象被称为“电池悖论”。尽管临床影响已有充分记录，但循环设计的工程挑战仍未得到充分探索。本综述通过对21项关键研究（2010–2026年）的文献计量分析，系统描述了ENDS的架构演进，描绘了从化学评估向当代循环经济挑战的转变。研究识别出在监测的区域废弃物流中物质回收的系统性失败，尽管目前全球数据覆盖不均衡，因此外推至所有市场需谨慎。然而，来自关键市场的法医分析显示，ENDS渗滤液中铅（Pb）浓度可达50 mg/L，超过危险废物限值十倍。为解决这些失败，研究人员提出了一种基于生命周期设计策略（LiDS）的“一次性ENDS”战略性再设计框架。实现材料循环性需要强制向模块化转变，并辅以数字产品护照（DPP）和押金返还计划（DRS）。这些措施对于将ENDS从危险的环境负担转变为循环经济中可行的技术养分来源至关重要。

1. 引言
全球第四代电子尼古丁输送系统（ENDS）的快速扩张引发了严重的环境危机。其一体化架构导致材料无法分离，形成“电池悖论”。全球一次性ENDS电池市场预计从2025年的158亿美元增至2026年的189.8亿美元，2030年达392.1亿美元，年复合增长率（CAGR）为19.9%。仅2024年英国每周丢弃约500万个一次性ENDS，全球每年约8.44亿台设备进入填埋场，成为增长最快且最危险的电子废弃物（WEEE）类别。波兰每年通过此类设备向废物流引入7至12吨锂（Li）。电池悖论表现为高性能电化学电池（可在700次循环后保持94%容量）因不可分离的产品架构仅经一次放电即被丢弃。2024年英国与电池相关的火灾增加71%，超过1200起，直接源于废弃ENDS中受损锂电池在收集车辆中被压碎。法医分析显示ENDS渗滤液中铅（Pb）浓度可达50 mg/L，超过危险废物限值十倍。现有文献以临床和公共卫生评估为主，工程导向研究不足。本综述通过系统解构ENDS四代架构演进，识别阻碍材料循环性的设计-安全冲突，并提出基于生命周期设计策略（LiDS）的战略再设计框架，同时建议实施强制押金返还计划（DRS）和数字产品护照（DPP），并与欧盟电池法规2023/1542等立法整合。

2. 文献计量方法
采用系统文献计量分析，数据来源于Web of Science（WoS）核心合集和Scopus，检索时间限定为2010年1月1日至2026年2月3日。遵循PRISMA指南，初始检索获得136条记录，去除34条重复后筛选102条，经标题/摘要和全文评估，最终纳入21项符合工程标准的研究（标记M1–M21）。排除标准包括纯临床健康、戒烟行为或医学毒性研究，以及无关技术研究。使用VOSviewer进行关键词共现分析，显示研究主题从2016–2018年的化学组成向2020–2022年的电池安全，再向2024–2026年的可持续性和循环经济转变。将21项研究分为设计、材料分析、电池安全、回收与循环性、毒性危害五个主题支柱，并构建研究缺口矩阵。地理分布显示贡献来自12个国家，美国10篇、英国和意大利各3篇；81%为单一国家出版物（SCP），表明技术评估主要由国家监管框架驱动，而非全球一体化工程策略。

3. 当前ENDS架构现状
当前第四代ENDS采用高度集成的一体化设计，将电化学储能、微电子控制和热蒸发单元封装于单一壳体。历史演进分为四代：第一代“cig-a-like”采用模块化三件套和机械压配；第二代“vape pen”引入510螺纹和可更换雾化器；第三代“mod”（高功率盒式）达到模块化顶峰，采用工具可拆卸电池门和标准18650/21700电芯；第四代“pod与现代一次性”回归整体设计，通过超声波焊接或氰基丙烯酸酯粘合剂永久密封，造成“结构锁定”。第四代组件包括结构壳体、高能量密度锂离子电池（LIB，多采用LCO化学）、雾化器、烟油储库（含多孔聚合物基质）和控制电路板（带真空传感器）。材料表征显示壳体多为铝（Al）合金或聚碳酸酯（PC）/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）塑料。电池设计容量保留率高但仅单次使用，形成“电池悖论”。电路板直接焊接到电池端子，无法无损回收，导致资源稀释和经济低效。

4. 材料复杂性与资源回收
定量质量平衡显示，一次性ENDS总质量约20.2–78.1 g，其中塑料占15.8–60.9%，LIB占16.8–40.9%，橡胶密封件占5.7–18.8%，受污染油棉占4.4–10.7%，微电子占0–4.2%。X射线荧光（XRF）和扫描电子显微镜（SEM）揭示多种元素，包括Al、铜（Cu）、锌（Zn）、镍（Ni）、铁（Fe）等。LIB是关键原材料（CRMs）的主要储库，Li约占电池质量1.5%，钴（Co）浓度高。电池化学类型多样化，包括LCO、磷酸铁锂（LFP）、镍锰钴氧化物（NMC）、镍钴铝氧化物（NCA）等，缺乏标准标签导致分选困难。技术障碍包括：残余烟油在机械破碎时“涂抹”污染聚合物和金属碎屑；尼古丁残留使回收物被归类为危险废物；永久粘合导致手动拆解成本高于材料价值。新兴升级回收路径包括将废弃ENDS纤维转化为工程颗粒纤维，用于沥青玛蹄脂混合料（SMA），可提高抗车辙性能和间接拉伸强度。

5. 当前设计范式的系统性危害
一次性ENDS在废弃物流中表现出动力学和热不稳定性。薄壳结构无法保护高能锂电池，在收集车辆压实过程中可能发生隔膜破裂、内短路和热失控。约25.6%的废弃电池残余电压高于2.5 V，具有引燃风险。设备形状小且“隐蔽”，难以被分拣系统识别，常在破碎机中引发火灾。毒理方面，残余烟油中的丙二醇、植物甘油和尼古丁盐作为载体，使重金属加速溶出。毒性特征浸出程序（TCLP）和废水提取试验（WET）显示Pb浓度达40–50 mg/L，超过联邦限值十倍；Cu超过可溶性阈值限值浓度（STLC）25 mg/L。残留尼古丁被列为P075类危险废物。此外，现代设计虽符合《关于限制在电子电气设备中使用某些有害成分的指令》（RoHS），但重金属负荷已迁移至电池内部和合金杂质中。法医分类表明这些设备应被认定为危险废物，但缺乏标签导致普遍不合规。

6. 战略再设计框架
基于生态设计轮（EW）的LiDS框架，提出从线性“制造-使用-丢弃”模式向循环模式转变。核心原则是“固有安全性”。具体干预包括：采用面向拆解设计（DfD），以可逆机械卡扣替代永久粘合剂；标准化能量模块，使其可拆卸并具备可访问的电气接触点，以便预放电；材料合理化，使用单聚合物（如PP或PE）替代PC/ABS混合物，避免交叉污染；实施强制押金返还计划（DRS）以提高返回率；集成数字产品护照（DPP），通过QR码或RFID标签提供电池化学、金属清单、危险化学品和拆解序列数据。定量评估采用Likert 1–5分制对LiDS的八个轴评分，当前架构的可持续性面积为8.13 n²，而拟议模块化框架可扩展至54.09 n²，提升6.65倍（665%）。框架与欧盟电池法规2023/1542、生态调节的扩展生产者责任（EPR）费用等政策工具相结合，并通过DRS成本分摊和DPP追踪确保可行性。

7. 结论与未来展望
第四代ENDS架构代表产品可持续性的严重倒退，从模块化转向不可分离的整体结构，造成“电池悖论”和结构锁定。大量关键原材料（Li、Co）被损失，并产生火灾和毒性危害。基于LiDS的生态设计框架可提供解决方案：通过DfD、标准化界面和单材料壳体，将可持续性面积从8.13 n²扩展到54.09 n²。实施DRS以提高收集率，生态调节的EPR费用惩罚不可维修设计，DPP提供回收所需数据。最终，须摒弃现行“制造-使用-丢弃”模式，转向固有安全性和模块化循环，使一次性ENDS从环境负担变为二次制造部门的技术养分来源。