一种针对光伏废弃物的多组分回收策略：同时回收硅和PVDF，用于制备Ag–F增强的Si/C阳极

《Resources, Conservation and Recycling》：A multi-component recycling strategy for photovoltaic waste: Co-recovering silicon and PVDF into Ag–F reinforced Si/C anodes

针对废旧光伏组件中高纯度硅和PVDF背板的资源浪费与环境污染问题，本研究提出通过电纺和碳化制备Ag-F共修饰的Si/C纳米纤维（AF-SCNF），实现硅材料的直接回收与锂离子电池负极的高效制备，同时避免化学氟化和二次氟排放。实验表明AF-SCNF在100次循环后容量保持率达99.8%，1 A g-1电流下展现出优异的速率性能。DFT模拟揭示了Ag-F协同增强锂吸附和界面电荷传输的机理，为光伏废弃物资源化利用提供了新路径。

　　

李一浩|陈一清|张晓娇|郭耀光|陈帅|杨杰|林铁|冉浩东|张阳|徐秦|吴彦琳|袁浩|戴珏|董伟国|戴蕾蕾|李登新|关杰

上海工程技术大学资源与环境工程学院，中国上海201209

摘要

光伏（PV）模块的快速报废引发了严重的资源和环境问题，尤其是由于高纯度硅和PVDF背板的丢失，这些材料会释放有害的氟化物。本文提出了一种回收-升级策略，通过静电纺丝和碳化工艺直接再利用硅残留物和富含PVDF的背板来制备银-氟共修饰的Si/C纳米纤维（AF-SCNF）。这种集成方法避免了化学氟化，减少了试剂消耗，并防止了二次氟化物的排放。所得AF-SCNF在坚固的碳网络中均匀分布了Si、F和Ag元素，在1 A g^-1的电流下经过100次循环后仍能保持457.2 mAh g^-1的放电容量，并且具有优异的倍率性能。密度泛函理论分析表明，银-氟协同作用增强了锂的吸附并促进了界面电荷的重新分布。从循环经济的角度来看，该工艺替代了原始硅和PVDF的生产，同时避免了背板的焚烧。这项工作展示了一条将光伏废弃物转化为高价值电池材料的可扩展途径。

引言

采用循环经济原则和可持续材料工程对于应对资源短缺、能源转型和环境保护等相互关联的挑战至关重要。在各种工业废弃物中，报废的光伏（PV）模块成为一个关键问题：预计到2050年，其体积将超过8000万吨，其中晶体硅（c-Si）模块占比超过90%（Das和Sarmah，2025；Deng等人，2019；Heath等人，2020）。这些模块含有高纯度硅片、氟聚合物成分（如聚偏二氟乙烯（PVDF）以及微量贵金属（如银），为高价值材料的回收提供了宝贵机会（Dias等人，2016；Preet和Smith，2024；Sim等人，2025）。将这些废弃物转化为先进的功能性材料不仅减轻了处理负担，还有助于发展可持续的能源存储系统。

传统的光伏模块回收技术主要针对玻璃和铝框架，而高纯度硅、氟聚合物和微量金属通常因为其化学惰性以及可能产生的有害物质而被忽视（Chowdhury等人，2020；Mukwevho等人，2025；Wang等人，2024，2025b；Xiao等人，2025）。特别是最近的研究表明，PVDF背板在热处理过程中会释放出气态HF，对环境和腐蚀构成潜在风险（Danz等人，2019）。现有的硅回收热法和化学方法需要高能量输入、有害试剂，并且产物的选择性较差，限制了其可扩展性和环境效益（Zhang等人，2025）。尽管硅因其超高的理论容量（约4200 mAh g^-1）而被视为锂离子电池（LIBs）的有希望的负极材料，但其严重的体积膨胀（约300%）会导致容量迅速衰减（Kim等人，2023；Luo等人，2017；Wang等人，2025a；Wang等人，2024）。虽然氟化和金属掺杂已被证明是提高硅基负极导电性、结构完整性和界面化学性能的有效方法，但大多数报道的方法依赖于原始材料，这影响了成本效益和可持续性（Chen等人，2024；Ruan等人，2023；Sun等人，2025；Wu等人，2025）。

将光伏废弃物中的硅和氟聚合物成分直接整合到功能性LIB负极中尚未得到充分探索（Nekouei等人，2025；Zhang等人，2025）。利用废弃物来源的PVDF作为氟源进行原位氟化，并添加微量银进行电子和催化改性，提供了一种封闭循环的方法，可以同时提高LIB的性能并减轻环境影响。多项研究表明，氟化和金属掺杂都能有效改善硅基负极的电化学性能（Li等人，2025；Nie等人，2025；Tan等人，2017；Wu和Cui，2012；Zhao等人，2024）。

氟化已被广泛认为是提高硅基负极界面稳定性的有效方法，因为它促进了富含LiF的固体电解质界面（SEI）的形成，从而抑制了电解质的持续分解并促进了锂离子的传输（Wu等人，2025）。同时，金属掺杂引入了高导电路径，增强了循环过程中的电子传输并降低了电荷转移阻力，多种掺杂剂在提高硅基负极的导电性和动力学方面显示出有效性（Wang等人，2025；Zhang等人，2025）。Cu、Fe和Mn等金属已被研究用于改善Si/C复合材料的导电性，通常通过改善电荷传输和结构稳定性来提升电性能（Nulu等人，2022）。然而，某些过渡金属可能在电池工作条件下引发副反应或化学稳定性有限。相比之下，银（Ag）具有优异的导电性、良好的化学稳定性和界面相容性，特别适合用于提高硅基电极的电荷转移动力学。先前的研究表明，银纳米颗粒可以通过作为高导电添加剂来显著改善Si负极的循环性能和倍率能力（Yin等人，2018a；Zheng等人，2025）。然而，这些发现主要局限于原始前驱体系统，对于复杂的废弃物衍生系统中的潜在机制了解不足。

在本研究中，我们提出了一种协同的回收-升级策略，通过静电纺丝和可控碳化将报废的光伏模块转化为银-氟共修饰的Si/C纳米纤维（AF-SCNF）负极。从废弃物背板中回收的PVDF作为内在氟源，实现了原位氟化，稳定了Si/C界面，减少了体积膨胀，并促进了富含LiF的SEI层的形成。同时，加入微量银元素构建了高导电路径和催化位点，从而提高了电荷转移效率和界面反应动力学。银和氟的互补功能共同增强了结构完整性和电化学可逆性。通过密度泛函理论（DFT）模拟支持的全面结构、化学和电化学分析揭示了这种银-氟协同作用的机制基础。总体而言，这一集成框架不仅阐明了原子尺度的增强机制，还建立了一条可扩展且可持续的升级途径，将光伏废弃物的价值化与下一代锂离子电池用高性能硅基负极的开发联系起来。

部分摘录

原材料和化学品

废弃的硅（Si）来自通过本地回收渠道获得的报废光伏（PV）模块。通过在300 °C的石墨加热板上加热，将PV背板从模块上分离出来，然后手动剥离软化的背板。随后，在500 °C的马弗炉中通过煅烧完全去除封装的乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）层，得到干净的硅片。硅片经过机械粉碎和超声处理

形态和结构分析

通过对合成纳米纤维的形态和结构进行系统分析，阐明了硅的掺入、氟化和银掺杂的影响（图2）。扫描电子显微镜（SEM）图像（图2a）显示所有样品都保持了连续且相互连接的纤维网络。与原始的CNF相比，SCNF由于嵌入了硅纳米颗粒而表面更为粗糙，而F-SCNF则表现出与氟改性相关的更粘附性的表面特征（Hu等人，2025）。

结论

在这项工作中，我们开发了一种可持续的回收-升级策略，将报废的光伏（PV）模块转化为高性能的硅/碳纳米纤维负极。通过静电纺丝和碳化直接回收并整合了硅残留物和富含PVDF的背板，制备出了银-氟共修饰的AF-SCNF，在坚固的导电网络中均匀分布了Si、F和Ag元素。所得负极的可逆容量达到了457.2 mAh

CRediT作者贡献声明

李一浩：撰写——初稿、方法论、概念构思。陈一清：撰写——初稿、方法论、实验研究。张晓娇：撰写——初稿、实验研究。郭耀光：方法论、形式分析、数据整理。陈帅：撰写——初稿。杨杰：实验研究。林铁：撰写——初稿。冉浩东：实验研究。张阳：撰写——初稿。徐秦：撰写——初稿。吴彦琳：实验研究。袁浩：撰写——

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52370142、52270129、52070127）、东方人才青年计划、上海曙光计划（编号23SG52）、上海自然科学基金（编号25ZR1401142）以及浦东新区科学技术发展基金（编号PKJ2022-C10）的财政支持。