技术文章 I 叶片回收玻纤“变身”高端锂电硅碳负极

近日，河北工业大学王恭凯研究员联合北京高压科学研究中心缑慧阳研究员提出一种一体化升级再造策略，通过将退役风机叶片中的玻璃纤维经可控破碎与热解后，利用合金化-氮化反应转化为多孔硅骨架，再经化学气相沉积包覆均匀碳层，最终成功制备出具有分级多孔结构和连续导电通路的多尺度硅碳复合负极材料（rP-Si@C）。全面的结构分析表明，所设计的多尺度结构能同时促进锂离子的快速传输，并有效缓冲硅在（脱）锂过程中伴随的巨大体积膨胀。电化学测试结果显示，所得rP-Si@C负极在1 A g^-1的电流密度下循环300次后，可逆容量达到1286 mAh g^-1。需要特别指出的是，本工作超越了简单的废物利用或工艺工程，与传统的硅回收或生物质衍生硅路径不同，本研究采用的合金化-氮化策略能够原位重构出具有可控孔隙连通性和机械顺应性的分级多孔硅骨架，这从根本上调控了循环过程中的锂离子传输动力学和应力演化。这种过程驱动的结构演变，建立起清晰的组成-结构-性能关系，为如何利用多步化学转化来设计具有机械适应性的硅基负极提供了机理层面的深刻见解。

相关工作成果以“Upcycling Wind Turbine Blade Waste into Hierarchically Porous Silicon–Carbon Anodes for High-Performance Lithium-Ion Batteries”发表在Advanced Functional Materials上。

【内容表述】

本研究选择退役风电叶片中的玻璃纤维作为硅源，采用合金化-氮化协同转化与化学气相沉积碳包覆相结合的方法，其依据主要在于：风电叶片废弃物富含二氧化硅，为其高值化利用提供了可持续的原料基础，既能缓解固废堆积问题，又可替代传统高能耗的硅材料来源；所设计的合金化-氮化过程可原位构建具有多级孔结构的硅骨架，有效缓冲硅在嵌锂过程中的巨大体积膨胀，提升电极的结构稳定性；后续均匀的碳包覆则形成了连续的导电网络，增强了材料的导电性并稳定了电极-电解质界面，协同优化了锂离子传输动力学。该集成策略不仅实现了从废弃物到高性能电池材料的升级转化，还具有明确的工艺可控性与规模化潜力，为构建风电-储能闭环系统提供了可行的材料基础与技术路径。

图1. 退役风电叶片（RWTBs）回收再造用于锂离子电池（LIBs）rP-Si@C负极材料。

从退役风电叶片（RWTBs）到高性能硅碳负极（rP-Si@C）的完整升级再造路径。它不仅是实验步骤的总结，更清晰地勾勒出一个废弃物到高值材料的闭环技术框架。通过机械破碎-热解除杂-合金化/氮化转化-化学纯化-气相沉积碳层这一序列化过程，了解每一步的关键化学反应与物质转化目标。其核心目的是论证本工作提出的技术路线具有清晰的逻辑性与工艺可控性，为将复杂的复合材料废弃物转化为结构精良的电池材料提供了可行、可复现的路线。

图2. 全流程形貌与结构表征。

通过多尺度显微技术（SEM, TEM, EDS）追踪了材料在转化过程中的动态演变。从初始的玻璃纤维，到合金化/氮化后形成的多孔硅骨架，再到最终均匀包覆碳层的复合结构，BET证实了层级孔道（大孔与介孔）的成功构建，高分辨TEM与元素面分布图，直接揭示了硅基体与碳涂层之间清晰的界面以及连续的碳网络。这些表征的核心目的是证明我们所设计的化学转化与沉积工艺能够精确地制备出预设的分级多孔硅碳复合结构，这是实现后续优异电化学性能的先决条件。

rP-Si@C负极的长循环曲线（300圈后保持1256 mAh g^-1）证明了其作为回收材料仍具有优秀的结构稳定性与容量保持率，高首效（89%）表明副反应得到有效抑制，优异的倍率性能和在高面负载下的稳定表现，共同说明了该材料具有快速的电荷传输动力学和良好的工程适用性。将rP-Si@C与商业化LiFePO₄正极匹配组装成全电池进行测试，全电池在150次循环后仍能保持92.4%的容量，且在不同倍率下均表现出稳定的充放电平台和容量输出。

通过非原位电化学阻抗谱（EIS），弛豫时间分布（DRT）和恒电流间歇滴定技术（GITT）等手段，深入剖析了性能优势背后的动力学根源。EIS-DRT解析了电荷转移、SEI膜演化等不同时间尺度的界面过程，清晰地显示碳包覆层显著降低了界面阻抗并加速了其稳定。GITT表明rP-Si@C具有比商用µm-Si和rP-Si更高的锂离子扩散系数，从离子/电子传输动力学和界面电化学的角度，揭示多孔结构与碳涂层如何协同优化锂离子的迁移动力学并稳定电极/电解质界面，从而为材料设计提供了的机理性见解。

图5. 电极结构稳定性与体积膨胀研究。

截面和表面SEM图像提供了电极在循环过程中几何与形貌演变，测量循环前后电极的厚度变化，揭示了rP-Si@C电极（膨胀率35%）相比无孔或未包碳样品（膨胀率>90%）在抑制体积膨胀方面的巨大优势。表面形貌图进一步显示，即使经过300次循环，rP-Si@C电极仍保持完整，而无碳保护的电极则出现明显裂纹。多级孔结构为硅的体积膨胀提供缓冲空间，碳层对膨胀进行了机械约束，证实了该材料为何能实现长循环稳定的根本原因。

通过流程建模、技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA），将工作提升至系统与可持续性层面。TEA模型计算了最小销售价格并分析了成本敏感性，证明了该工艺在经济上具备规模化潜力（MSP约10.83美元/公斤）。LCA雷达图则比较了不同处理方案的环境影响，表明本升级再造路径在多项指标上优于填埋或焚烧。这套分析的目的是评估转化路径的可行性与可持续性，论证该项技术不仅是一个科学上的成功案例，更是一条兼具经济效益和环境效益、能够连接可再生能源基础设施与储能产业的潜在产业化通道。

【核心结论】

本研究通过合金化-氮化与碳包覆技术，将风电叶片废弃物转化为多级多孔硅碳复合材料（rP-Si@C）。该材料在1 A g^-1下循环300次后容量保持1256 mAh g^-1，全电池循环150次容量保持率达92.4%。多孔骨架有效缓冲体积膨胀，碳层提升导电性并稳定界面。技术经济与生命周期分析表明该路径具备成本效益与环境优势。本工作不仅实现了固废高值化利用，更从机理层面揭示了多步化学转化对负极结构-性能的调控作用，为机理驱动的材料设计提供了范例。