给废旧锂电“洗个热水澡”！水溶性超分子粘结剂破解锂电闭环回收难题。 近日，广东工业大学林展教授团队设计并构建了一种水溶性超分子水系粘结剂，对多种正负极材料具有良好兼容性。同时，巧妙解决了锂离子电池直接回收中电极难分离的核心痛点，让电池出生就准备回收，为开发下一代锂离子电池提供了全新视角。2026年2月24日，相关成果以A water-soluble binder for recyclable lithium-ion batteries为题，发表在Nature Sustainability期刊上。论文第一作者为广东工业大学吴曙星副教授。
随着便携电子设备、电动汽车和可再生能源存储的迅猛发展，全球对锂离子电池的需求持续爆发式增长，同时也迎来大规模电池退役潮。预计到2030年，全球累计报废的锂电池将超过1100万吨，如何实现退役电池的高效回收与资源循环利用，已成为关乎能源安全与环境保护的重大课题。目前工业回收主要依赖火法与湿法冶金工艺，但这些方法普遍存在能耗高、流程复杂、化学品消耗大以及二次污染等问题。相比之下，直接回收技术通过保留并修复电极活性材料结构，被认为是更具可持续性的理想路径。然而，现有锂离子电池在设计之初并未考虑可回收性，其中牢固粘附电极组分的粘结剂成为直接回收过程中难以突破的关键瓶颈。目前，粘结剂去除依赖高温热解或有机溶剂处理，这些方法往往会破坏材料结构、引入杂质或造成环境负担。理论上，水系电极制备中引入水溶性粘结剂有望实现绿色高效的电极剥离，但现有体系难以同时兼顾高电化学性能与可控溶解特性，且在实现正负极统一的水系电极加工方面仍存在明显局限。
基于以上分析，研究团队设计并构建了一种水溶性超分子水系粘结剂。该粘结剂由天然丝胶蛋白与硫酸通过氢键和离子相互作用形成稳定的双交联网络结构。它能够兼容正极和负极，并实现NCM111正极和石墨负极的稳定循环。在1.3-Ah软包电池中，该体系经过500次循环后仍保持85.0%的容量保持率，展现出良好的实际应用潜力。更关键的是，其超分子相互作用可在热水中可逆解离，使电极在热水中即可实现活性材料从集流体上的快速剥离，实现稳定服役—按需解离的功能切换。回收得到的活性材料纯度高、结构完整，可直接再生利用。该工作对电极进行预设计，让电池出生就准备回收，为开发下一代锂离子电池提供了全新视角。
图1：SPS粘结剂的表征。
该工作通过将天然丝胶蛋白与硫酸进行交联，构建了一种水系粘结剂。通过红外光谱与X射线光电子能谱证实了双交联网络的氢键与离子相互作用，该网络结构使得粘结剂具有优异的机械强度。变温红外与二维相关光谱分析动态解析出各基团随温度解离的先后顺序，同时证明粘结剂中氢键和离子相互作用随着温度的升高而减弱，从分子层面阐明了粘结剂在热水中快速解离的机理，为电极的直接回收提供可行性。
图2：粘结剂在NCM111正极中的应用。
优异的电化学性能是粘结剂实际应用的前提。180°剥离测试与纳米压痕结果表明，粘结剂显著提升了NCM111电极的机械稳定性。半电池在循环100次后容量保持率达89.3%。进一步的透射电镜分析显示，粘结剂可在活性物质颗粒表面形成均匀致密的保护层，有效抑制界面副反应。同时，硫酸的引入缓解了水系加工条件下铝集流体的腐蚀问题。组装的1.3-Ah NCM111//石墨软包电池在0.1 C倍率下循环500次后容量保持率达85.0%，平均库仑效率超过99.9%，能量密度达到191.0 Wh kg-1，充分展现了该粘结剂在实际应用条件下的长期稳定性与高可靠性。
图3：电池的直接回收。
得益于粘结剂的独特可逆解离特性，该研究构建了一条极为简洁且绿色的直接回收路径。退役电池拆解后，其正/负极片仅需在60 ℃水中浸泡<1min，活性物质层即可从集流体上完全、洁净地剥离，全过程无需任何有机溶剂。回收的铝箔光洁无腐蚀，可直接回用，显著降低了回收成本与环境负担。对剥离获得的废旧NCM111材料进行补锂再生后，X射线衍射和高分辨透射电子显微镜表征结果表明，再生材料的晶体结构与颗粒形貌均恢复至接近原始状态。电化学测试显示，再生NCM111的首圈放电容量达到184.8 mAh g-1，循环100次后的容量保持率与新材料基本一致，实现了性能的有效恢复，充分验证了该直接回收策略的可行性与高效性。
图4：技术经济分析。
为量化该回收策略的工业化潜力，研究团队基于美国阿贡国家实验室开发的EverBatt模型进行了技术经济分析。结果显示，本直接回收路线生产1 kg再生NCM111材料的成本仅为$14.55，显著低于传统火法冶金（$21.92）和湿法冶金（$19.48）工艺，对应的净利润可达$15.46。在环境效益方面，该工艺的温室气体排放量与总能耗较传统回收方法降低约60%–70%，展现出显著的节能减排优势。综合来看，该策略不仅具备突出的经济竞争力，同时兼顾环境友好性，为推动锂离子电池回收向绿色、低碳与规模化方向发展提供了一条极具潜力的可持续路径。
图5：普适性研究。
为验证该策略的广泛适用性，研究进一步将其拓展至两类主流正极材料体系——橄榄石结构的磷酸铁锂（LFP）和尖晶石结构的高电压镍锰酸锂（LNMO）。电化学测试结果表明，粘结剂与这两种正极材料均具有良好的兼容性。LFP正极半电池中循环200次后容量保持率达到90%，与传统PVDF粘结剂体系相当，对应的软包全电池同样展现出稳定的长循环性能。更为重要的是，基于该粘结剂构建的同一直接回收流程对LFP和LNMO电极同样适用：极片经热水处理即可实现活性物质的完整、无损剥离，随后通过相应再生工艺恢复性能。再生后的LFP材料保持完整晶体结构，在半电池中循环100次后容量保持率高达92.4%，充分证明该策略在不同正极化学体系中的优异通用性与广泛应用潜力。
结论
综上所述，该研究从电池设计源头出发，开发了一种通过超分子氢键和离子相互作用实现的双交联水性粘结剂，粘结剂对多种正负极材料具有良好兼容性。同时，巧妙解决了锂离子电池直接回收中电极难分离的核心痛点，其氢键和离子相互作用可随温度升高发生解离，使其在热水中快速溶解，从而实现退役锂电池的便捷直接回收，让给废旧锂电洗个热水澡从形象比喻变为切实可行的绿色回收方案。技术经济分析表明这种直接回收工艺既经济可行又环保。该工作突破了传统先使用、后回收的被动模式，使电池在诞生之初便具备可循环属性，为破解锂电闭环回收难题提供了关键解决方案。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41893-026-01773-3
作者：林展 等 来源：《自然-可持续》
