一項新技術(shù)希望促進(jìn)鋰電池的回收利用

鋰電池回收面臨的一個難題，就是材料本身成本低廉，而回收過程成本不低。一項新技術(shù)希望通過進(jìn)一步降低成本和使用環(huán)境友好成分，促進(jìn)鋰電池的回收利用。

用過的 LFP 電極回收前（左）和處理后（右）的掃描電鏡照片。圖片來源：Panpan Xu

一種讓用過的陰極材料恢復(fù)至初始狀態(tài)的新型處理技術(shù)能夠進(jìn)一步節(jié)省鋰離子電池的回收成本。該技術(shù)由加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校（University of California San Diego）的納米工程師們研發(fā)，比如今使用的方法更加環(huán)境友好。它使用更加環(huán)保的成分，耗能減少了 80% 至 90%，同時溫室氣體的排放量也降低了 75%。

在 11 月 12 日發(fā)表在《焦耳》（Joule）上的論文中，研究人員詳細(xì)介紹了這項研究成果。

對于由磷酸鐵鋰（簡稱 LFP）制成的陰極，該處理技術(shù)效果尤為理想。LFP 陰極電池比其他鋰離子電池成本更低，因為它們不使用貴金屬材料，比如鈷或者鎳。LFP 電池的使用壽命也更長久，更安全。它們廣泛用于電動工具、電動公交車和電網(wǎng)。特斯拉 Model 3 也選擇了 LFP 電池。

“鑒于上述優(yōu)點，LFP 電池將比市場上其他鋰離子電池更具競爭優(yōu)勢?！盪C 圣迭戈分校的納米工程學(xué)教授 Zheng Chen 講道。

那存在什么問題嗎？“這種電池的回收成本效益不高?！盋hen 說，“它處在和塑料一樣的兩難境地——材料本身很廉價，但回收再利用的方法可不便宜。”

Chen 及其團(tuán)隊所研發(fā)的新型回收處理技術(shù)能夠降低這些成本。該技術(shù)能在低溫（60 至 80 攝氏度）和環(huán)境壓力下工作，因而比其他方法耗電更少。此外，它使用的化學(xué)物質(zhì)，比如鋰鹽、氮、水和檸檬酸，都很便宜且性質(zhì)溫和。

該研究的第一作者，在 Chen 實驗室擔(dān)任博士后研究員的 Panpan Xu 說：“再利用處理的整個過程在非常安全的條件下進(jìn)行，所以我們無需任何特殊的安全預(yù)防措施或特殊設(shè)備。這也就是我們電池回收成本低的原因?！?/p>

首先，研究人員重復(fù)循環(huán)使用 LFP 電池，直到電池失去一半的儲能容量。隨后，他們把電池拆解開，收集其中的陰極粉末，將其浸泡在含有鋰鹽和檸檬酸的溶液中。接下來，他們用水洗干凈溶液，等粉末干透后再加熱。

研究人員用這些粉末制成新的陰極，在鈕扣電池（coin cell）和軟包電池（pouch cell）中都進(jìn)行了檢測。它們的電化學(xué)性能、化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)都完全恢復(fù)至初始狀態(tài)。

隨著電池不斷地循環(huán)使用，陰極會經(jīng)歷兩個重要的結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致其性能下降。首先是鋰離子的喪失，這會在陰極結(jié)構(gòu)中形成空腔。其次，當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)中的鐵離子和鋰離子交換位置時，會發(fā)生另一種結(jié)構(gòu)變化。這種變化一旦發(fā)生，離子的位置就無法再輕易切換回來，所以鋰離子就會被困住，再也無法在電池內(nèi)循環(huán)。

本研究提出的處理方法首先補(bǔ)充鋰離子，讓鐵離子和鋰離子易于切換回原始位點，從而恢復(fù)陰極結(jié)構(gòu)。第二步操作通過使用檸檬酸而實現(xiàn)，檸檬酸作為還原劑發(fā)揮作用，可向另一物質(zhì)提供電子。它將電子轉(zhuǎn)移至鐵離子，減少其攜帶的正電荷。這樣可以最大程度地降低電子排斥力，防止鐵離子移動回晶體結(jié)構(gòu)中的原始位點，同時將鋰離子釋放回循環(huán)中。

雖然這套回收處理技術(shù)的總能耗更低，但研究人員表示，仍需展開進(jìn)一步的研究，了解收集、運輸和處理大量電池等后勤問題。

“下一個挑戰(zhàn)就是搞清楚如何優(yōu)化這些后勤過程?！盋hen 說，“這將讓我們的回收技術(shù)向著產(chǎn)業(yè)應(yīng)用更近一步。”

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