伍斯特理工学院王岩教授EnSM:回收废旧氢燃料电池中的气体扩散层并运用于可持续和极高负载的锂离子全电池- 大数跨境

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伍斯特理工学院王岩教授EnSM:回收废旧氢燃料电池中的气体扩散层并运用于可持续和极高负载的锂离子全电池

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2026-04-01

导读：伍斯特理工学院王岩教授EnSM:回收废旧氢燃料电池中的气体扩散层并运用于可持续和极高负载的锂离子全电池

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文章信息

回收废旧气体扩散层并运用于可持续和极高负载的锂离子全电池

第一作者：姚泽祎

通讯作者：王岩*

单位：美国伍斯特理工学院

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研究背景

氢燃料电池的气体扩散层在达到使用寿命后，由于其相当低廉的价格和不可逆的结构损伤，导致其不再适用于氢燃料电池体系。值得注意的是，气体扩散层上的三维碳纤维网络是作为高负载锂离子电池的理想集流体。与此同时，目前市场对高能量密度，高负载储能材料的需求激增。因此，若能低成本和高效率回收气体扩散层，并将其运用于高负载锂离子电池，有希望满足当下的能源需求并减少处理不当导致的环境影响和不必要的材料损失。

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文章简介

近日，来自伍斯特理工学院的王岩教授及其研究团队，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Recycled End-of-Life Gas Diffusion Layer for Sustainable and Ultra-High-Loading Lithium-Ion Full Cells”的研究文章。该文章提出了一种合理回收氢燃料电池的废旧气体扩散层(GDL) 的方法，并利用其三维导电结构实现了高负载、高能量密度的锂离子全电池。

图1. 通过利用废旧氢燃料电池的气体扩散层（GDL），开发出了一种可量产且经济环保的方法，能够制造出高负载（55 mg cm-2）、高比体积能量密度（592 Wh L-1）且循环性能稳定（每循环容量衰减 0.04%）的锂离子电池，从而为下一代储能设备提供解决方案。

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本文要点

要点一：用于气体扩散层(GDL)的聚四氟乙烯去除操作

图二. GDL 的表征与纯化过程。初始 GDL 外侧（a）、内侧（b）以及横截面（c）的扫描电子显微镜图像。初始 GDL 的 EDS 映射信号中的碳（d）和氟（e）。纯化后的 GDL 表面（f）和横截面（g）的扫描电子显微镜图像。（h）由聚四氟乙烯降解产生的碳的扫描电子显微镜图像。（i）初始和纯化后的 GDL 的 EDS 映射光谱。（j）聚四氟乙烯降解所得收集溶液的 19F 核磁共振光谱。（k）初始和纯化后的 GDL 的 XRD 光谱。（l）纯化后的 GDL 的拉曼光谱。（m）初始和纯化后的 GDL 的 BET 表面及其拟合数据。

作为保障GDL疏水性的表面包覆材料，聚四氟乙烯的存在会对气体扩散层的回收再利用造成不便，尤其是影响电解液的浸润性以及极片的离子和电子导电率。为了解决上述问题，本文提出了一种熔融态氢氧化钠低温（350℃）降解聚四氟乙烯的方法，在充分降解（氟的吸收率>99%）聚四氟乙烯的同时维持了GDL三维碳网的完整性。

要点二：基于 GDL 的正极半电池评估

图三. 基于 GDL 的正极评估。GDL 基正极电极在 15（a）、35（b）和 55 毫克/平方厘米负载下的横截面的扫描电子显微镜图像（c）。GDL 基正极在 15（d）和 55 毫克/平方厘米负载下的表面的扫描电子显微镜图像（e）。（f）各种电极材料的电阻测试。铝箔基电极（g）和 GDL 基电极（h）在 15 毫克/平方厘米负载下的循环伏安测试。（i）循环伏安测试的 b 值拟合结果。铝箔基和 GDL 基电极的对称电池的EIS阻抗图（j）以及曲折度值（k）。（l）不同负载下的 GDL 基正极半电池的EIS阻抗图。（m）铝箔基和 GDL 基电极的 GITT 测试。（n）铝箔基和 GDL 基正极半电池的速率性能。（o）不同负载下的 GDL 基电极的倍率性能。

为验证纯化后的GDL作为集流体在正极材料中运用的可行性，本文严格控制了GDL-基和铝箔基材料的负载和孔隙率，在相同条件下证实了GDL-基半电池性能的优越性，并将负载进一步提高到了55毫克/平方厘米（标准工业电极的2.5倍以上），为之后的GDL-基全电池做准备。

要点三：基于 GDL 的负极半电池评估

图四：基于 GDL 的负极评估。（a）初始 GDL 负极和纯化裸 GDL 负极半电池在形成周期下的放电/充电曲线。（b）纯化裸 GDL 负极的速率性能。GDL 基负极表面和横截面的扫描电子显微镜图像，石墨负载量分别为 20 毫克平方厘米（c-d）和 40 毫克平方厘米（e-f）。（g）负极电极的 GITT 测试。（h）具有曲折度值的基于铜箔和 GDL 的电极对称电池的等效电路的EIS阻抗图（i）。不同石墨负载量的 GDL 基负极在形成周期下的放电/充电曲线（j）和速率性能（k）。（l）各种石墨负极基半电池的EIS阻抗图。

与要点二一致，本节验证纯化后的GDL作为集流体在负极材料中运用的可行性。在高负载，低孔隙率的条件下，GDL-基的石墨负极也表现出了优异的性能。

要点四：基于 GDL 的高能量密度全电池评估

图五：基于 GDL 的高负载全电池评估及 GDL 在电池中的回收工艺。（a）不同电流密度下基于高负载 GDL 的全电池的充放电曲线。（b）基于 GDL 的全电池的倍率性能。（c）基于 GDL 的全电池的中压和平均电压。（d）基于 GDL 的全电池的循环性能。（e）本研究与现有技术的比较。（f）纯化和回收后的 GDL 的厚度及表面积质量。净化的基于 GDL 的阴极电极和回收的基于 GDL 的阳极电极的倍率性能（g）和（h）。

GDL-基的正负极在全电池中展现出了优异的性能。在正极负载为55mg cm-2的前提下，此全电池的面容量高达7.5 mAh cm-2, 是目前商用材料的2.5倍。在极高的负载条件下，此全电池还表现出了良好的循环性能，在701圈后容量保持率为70%。将GDL从70%容量的电池中回收后，其作为集流体在新一轮测试中的数据与前一轮保持一致，充分验证了GDL的可重复使用性。

要点五：成本与环境影响分析

图六：基于GDL的电极的经济性和环境可行性评估。（a）纯化GDL合成的成本分布。（b）GDL和传统集流体的价格。（c）GDL和传统集流体的二氧化碳排放量。（d）商业电池和基于GDL的电池组的成本分布。（e）商业电池与基于GDL的电池的综合比较。

经综合分析，相较于传统集流体，GDL在经济性、环境影响及电化学性能等方面整体表现更佳。

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结论

总结来说，工业报废的气体扩散层（GDL）被成功回收并再利用为高负载、高体积能量密度锂离子电池的优异三维（3D）集流体。从回收角度看，通过快速熔融碱性烧结工艺，PTFE涂层被完全分解，超过99%的氟被有效捕获，同时GDL原有的三维碳纤维结构得以良好保留。从电化学性能来看，与传统铝箔电极相比，基于GDL的正极在电子和离子导电性方面显著提升，在1C和2C条件下的容量保持率分别提高了10%和40%。同时，GDL-石墨负极相比商业石墨表现出更高的容量和更优的倍率性能。在全电池中，高负载GDL电极实现了7.5 mAh cm-2的超高初始面容量，在0.33C下保持91%的容量，并在700次循环后仍表现出优异的稳定性。值得注意的是，从报废电池中回收的GDL仍可重复使用，进一步体现了其循环利用潜力。在经济和环境方面，该方法相比传统集流体可降低至少50%的原材料成本和二氧化碳排放。总体而言，本研究提出了一种跨学科且可持续的方法，将工业燃料电池废弃物转化为新一代高能量密度锂离子电池的高性能关键组件。

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文章链接

Recycled End-of-Life Gas Diffusion Layer for Sustainable and Ultra-High-Loading Lithium-Ion Full Cells

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.105070

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通讯作者简介

通讯作者-王岩简介： 王岩教授是美国伍斯特理工学院 William Smith Foundation Dean 讲座教授。王岩教授的研究方向包括基础电化学，电化学技术与应用，材料回收与资源化，具体包括电解，锂离子电池，新型正负极材料，固态电解质，电池回收再生和可持续应用，主持参与美国DOE，USABC，以及NSF等多项基金项目，以第一/通讯作者在Joule, Nature Reviews Clean Energy, Nano letters, Advanced Energy Materials, Nano Energy, Energy Storage Materials, Green Chemistry 等国际期刊上发表论文140余篇，并拥有专利40余项。王岩教授创建了两家公司：Ascend Elements Inc 和AM Batteries Inc.

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第一作者简介

第一作者-姚泽祎简介： 姚泽祎于2018年在电子科技大学取得工程、管理学双学士学位，2019年起师从王岩教授，于2020年在伍斯特理工学院取得材料科学与工程硕士学位，并于2025年取得工学博士学位，现为博士后研究员和兼职教学教授。研究方向包括锂离子电池的回收及升级，新型锂钠钾离子电池材料研究，氢电池的回收与升级，以及铁资源回收及升级。近年来在 Joule，Chem, Energy Storage Materials, Nano Energy, Small, Green Chemistry 等国际期刊上发表署名文章30余篇，申请专利8项。