廣東工業大學，最新Nature大子刊：水性粘合劑

水性粘結劑破解鋰電池綠色再生難題

近年來，便攜電子設備、電動汽車與可再生能源儲能系統的快速普及，使鋰離子電池需求呈指數級增長。預計到2030年，全球退役鋰電池總量將超過1100萬噸，廢舊電池的資源化與無害化處理已成為迫在眉睫的全球性挑戰。當前主流的火法與濕法回收路徑雖然實現了金屬提取，但能耗高、流程復雜，且往往破壞正極材料的原有晶體結構，增加再制造成本。直接回收被認為是更具能效優勢與環境友好性的路線，但現實難題在于——現有電池并非為“可拆解”而設計，尤其是粘結劑將活性材料與集流體牢牢粘附，使分離過程不得不依賴高溫焚燒或強腐蝕溶劑處理，成為制約綠色回收的關鍵瓶頸。

針對這一核心問題，廣東工業大學林展教授團隊提出了一種基于天然絲膠蛋白（SP）與硫酸（SA）構筑的超分子雙交聯水溶性粘結劑（SPS），實現了“服役穩定、回收可解”的功能統一。該粘結劑在常溫電化學環境下具有優異的機械強度與循環穩定性，而在50–70°C溫水中可迅速解離，使正負極活性材料整體脫附，實現真正意義上的直接回收。基于該體系構建的1.3 Ah軟包電池在500次循環后容量保持率達85.0%，同時顯著降低回收過程的能耗與污染排放。這一工作將循環經濟理念前置到材料分子設計層面，為可持續電池技術提供了新范式。相關成果以“A water-soluble binder for recyclable lithium-ion batteries”為題發表在《Nature Sustainability》上，第一作者為Shuxing Wu。

圖1首先從分子層面揭示了SPS粘結劑的構筑機制與溫度響應行為。在ATR-FTIR譜圖中（圖1a），SP與SA交聯后酰胺I與酰胺II峰位發生明顯偏移，表明氫鍵網絡的形成；同時在約2797 cm?1處出現的新峰對應質子化NH??基團，說明體系中還存在離子相互作用。這種“氫鍵+離子鍵”的雙重交聯結構，使材料在常溫下形成穩定網絡。進一步的XPS分析（圖1c、圖1d）顯示，交聯后C 1s與N 1s峰向高結合能方向移動，證明分子間相互作用增強。更關鍵的是變溫FTIR結果（圖1e）：隨著溫度從30°C升至70°C，原本處于氫鍵結合態的–SO??與C=O峰逐漸轉變為自由態峰；二維相關光譜分析（圖1g、圖1h）進一步確認氫鍵與離子作用在升溫過程中逐步解離。這意味著，SPS在電池工作條件下保持結構穩定，而在溫水環境中能夠“自動松手”，為活性材料脫附創造條件。

圖1：SPS粘結劑的分子結構表征及溫度響應解離機制分析。

在分子設計驗證之后，圖2展示了SPS粘結劑在實際電極中的機械與電化學性能。180°剝離測試結果（圖2a）表明，SPS-3@NCM111電極的粘附力明顯高于SP或其他配比體系；納米壓痕曲線（圖2b）顯示，在相同壓入深度下SPS-3承載更高載荷；其硬度與彈性模量亦達到最高（圖2c）。強界面粘附來源于雙交聯網絡的協同增強效應。電化學測試中（圖2d），SPS-3@NCM111在0.2C倍率下循環100次后仍保持154.1 mAh g?1容量，容量保持率達89.3%。雖然初始庫侖效率略低于PVDF體系，但在約20余圈后趨于穩定（圖2e），表明界面逐漸形成穩定結構。負極方面（圖2f），SPS-3@Gr在500次循環后容量保持率達96.9%。更具說服力的是軟包電池測試結果（圖2g）：在0.1C下循環500次后容量保持率為85.0%，平均庫侖效率達99.2%，電壓衰減極小，顯示該水溶性粘結劑并未犧牲電池性能。

圖2：SPS粘結劑在NCM111正極與石墨負極中的力學性能與電化學表現

真正體現設計優勢的是圖3所示的直接回收流程。研究團隊將循環衰減至80%容量的軟包電池放電至2 V后拆解，再將電極片浸入60°C去離子水中。短時間內，活性材料整體從鋁箔上脫落，實現電極與集流體分離。經濾洗、干燥后得到黑色混合粉末，隨后通過空氣中煅燒去除石墨與炭黑，獲得失效正極材料s-NCM111。從SEM圖像可見（圖3a），其顆粒形貌與原始材料相近；XRD對比（圖3b）顯示晶體結構保持完整。補鋰再燒結后得到再生材料g-NCM111，其(003)晶面清晰可辨（圖3d–3g），層狀結構高度有序。電化學測試結果（圖3h）表明，再生材料在0.2C下循環100次后仍保持151.3 mAh g?1容量，實現有效性能恢復。這說明，回收過程中并未破壞正極晶體框架，真正實現“結構保留式再生”。

圖3：基于SPS體系的NCM111直接回收流程及再生材料結構與性能驗證。

圖4進一步從技術經濟角度評估該策略的可行性。直接回收流程示意圖（圖4a）展示了預處理、分離與再生的整體路徑。成本分解結果顯示（圖4d），通過直接回收生產1 kg NCM111材料的總成本約為14.55美元，顯著低于火法（21.92美元）與濕法（19.48美元）（圖4e）。凈利潤對比（圖4f）表明，直接回收可達15.46美元 kg?1，優勢明顯。在能耗與排放方面（圖4g），該路線在溫室氣體、NOx、SOx及總能耗方面均低于傳統冶金方法，展現出明顯的環境收益。

圖4：直接回收工藝的技術經濟與環境影響對比分析。

為驗證方法的普適性，圖5將SPS粘結劑拓展至LFP與LNMO體系。在LFP體系中（圖5a、圖5b），SPS@LFP半電池與軟包電池均表現出與PVDF體系相當的循環穩定性。再生后的g-LFP XRD譜圖與原始材料高度一致（圖5c），電化學測試顯示100圈后容量保持率達92.4%（圖5d、圖5e）。類似地，LNMO體系亦可實現有效分離與再生，證明該策略并非針對單一材料，而具備跨體系適用性。

圖5：SPS粘結劑在LFP與LNMO體系中的普適性與再生效果驗證

小結

總體而言，這項研究通過構建溫度響應型超分子雙交聯粘結劑，實現了“高性能服役”與“低能耗回收”的統一。它改變了傳統電池“先追求性能、再考慮回收”的設計邏輯，將循環經濟理念嵌入材料分子結構之中。未來，若能在工業規模上進一步優化分離與再生流程，并拓展至高鎳正極與硅基負極體系，這一策略有望推動鋰離子電池真正邁向綠色閉環循環。