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中科院团队打造新型废旧电池回收系统,碳酸锂回收产物均高于90%

近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士/王杰研究员和团队, 基于摩擦纳米发电机的自驱动原理,成功构建一种废旧磷酸铁锂电池回收系统。

利于该系统可以生成碳酸锂和磷酸铁这两种回收中间产物,它们的纯度分别达到 99.70% 和 99.75%, 如此之高的纯度非常利于后续生产。

图 | 王杰(来源:王杰)

该成果不仅可以直接嫁接转移到锂电池回收企业之中,而且其中涉及的“新型电化学回收体系”“回收产物重新利用”“摩擦纳米发电机”等前沿技术也具有单独应用的广阔前景。具体来讲,主要包括如下部分:

其一,通过打造高效新型电化学回收体系从而用于正极材料的回收。 目前,磷酸铁锂正极材料的回收主要以湿法回收为主,但是这种方法的工艺较为复杂,需要使用大量酸碱试剂,很容易造成二次污染。而本次成果采用电化学法氧化食盐水,利用生成的 Cl-/ClO-氧化还原对,实现磷酸铁锂正极材料的回收,这能降低化学试剂的用量及种类,能将湿法回收的 10 个步骤缩短为 4 个步骤,在简化工艺流程的同时,还具备节能环保降成本的优点。同时,课题组最近的一系列工作表明,本次方法具有较好的通用性,能用于包括三元正极、磷酸铁锂、钴酸锂等一系列正极材料的回收。

其二,可用于回收产物的重新利用,从而助力新正极材料的制备。 鉴于回收中间产物的纯度较高,因此可以直接将其作为磷酸铁锂正极材料的前驱体,通过气氛隧道炉烧结的方法,即可实现高性能磷酸铁锂的重新制备。

同时,由于这种原材料来源于回收的前驱体,因此所制备的磷酸铁锂正极材料具有非常高的性价比优势。

其三,将摩擦纳米发电机实现能源自给与系统自驱动。 作为一种新型能量获取器件,摩擦纳米发电机具有体积小、重量轻、价格低廉、低频高效等优势,能将环境中广泛存在的机械能比如风能、人体运动机械能、水滴能等转换为电能。

同时,借助其制备材料来源广泛的优点,通过合理利用电池的废弃材料,比如电池壳、铝塑膜、集流体等,再将摩擦纳米发电机作为电力补充,就能有效降低用电量,助力于提升系统的自驱动性能。

综上,整合之后的自驱动磷酸铁锂回收系统,集成了新型高效的电化学回收体系,能够实现回收产物的重新利用。其中,摩擦纳米发电机等前沿技术,能够直接迁移并用于电池回收企业。

在锂电池全回收的实际应用中,本次系统具有较好的可行性,为废旧锂电池回收的设计原则提供了有力借鉴,预计能引起能源领域与可持续发展领域的广泛关注。

(来源:Energy & Environmental Science)

高涨的锂电池市场,欠佳的锂电池回收

如今,随着能源转型及碳中和理念的深入人心,新能源汽车规模化生产与使用不断提质加速,锂电池作为新能源汽车的“心脏”也迎来爆发式增长。

鉴于新能源汽车动力电池的平均使用寿命约为 6-8 年,动力电池在未来将迎来大规模退役潮。据预测,至 2025 年全球动力电池回收市场规模将由 2021 年的 55 亿元迅速增长至 588 亿元,至 2030 年将增长至高达 3000 亿元。

虽然锂离子电池在使用过程中不会产生有毒有害的物质,但如果不能对废弃后的锂离子电池进行正确、有效地处理,废旧锂电池中的电解液、重金属、塑料等物质会给环境带来重大的污染。

同时,废弃锂电池也是宝贵的金属资源,其含有可观的锂、镍、钴、锰、铜、铝等金属元素。因此,不论是从环境保护还是从资源利用角度,都需要对废旧电池进行回收再生。

目前,锂离子电池回收方法主要有火法回收、湿法回收和直接修复等。但对于磷酸铁锂电池而言,其在回收利用方面面临诸多挑战。

首先,磷酸铁锂材料性能稳定,难于通过火法、湿法等方法回收。其次,传统回收方式的工艺复杂、能耗较高,所得产物的纯度较低。

再次,磷酸铁锂中的贵金属含量较低,回收成本高但收益却很低。

此外,传统回收方式侧重于回收金属含量、以及经济效益高的正极材料,对于附加值较低的负极材料、隔膜、电池壳等部件不能全面兼顾,这很容易造成新的环境问题。

因此,需要从磷酸铁锂电池回收的全局出发,开发一种简单便捷的回收方式来实现回收产物的高值化。同时,对附加值较低的部件进行有效利用,从而拓展其用途。

(来源:Energy & Environmental Science)

基于摩擦纳米发电机的电化学全回收

基于此,该团队开展了本次课题。他们认为一个有意义的课题需要从社会生产的需求出发,聚焦于解决社会生产生活中的瓶颈问题,立足并发挥自身的优势特长,最终实现科技突破与实用化。

由于该项目面向工业生产和社会生活的突出问题,因此在立项初期他们就设立了“立足锂电回收,设计新模式,开发前沿科技”的理念。

同时,综合该实验室在锂离子电池、摩擦纳米发电机、自驱动系统、自驱动电化学的坚实基础,他们选择了“基于摩擦纳米发电机的自驱动废旧磷酸铁锂电池回收系统”这一课题。

该团队的成员具有化学、材料、物理、电子、机械等多种背景,从事的研究课题也各有侧重。通过此,他们将本课题的思维导图清晰化,将研究目标从“电化学回收沉积”“自驱动电化学回收”进行不断升华,直到提炼出最终的研究目标:“基于摩擦纳米发电机的电化学全回收”。

(来源:Energy & Environmental Science)

研究中,课题组从磷酸铁锂电池回收的全局出发,展示了磷酸铁锂电池在回收过程中各组分的回收及再利用,系统解决了磷酸铁锂电池的回收难题。

即针对锂电池回收领域存在的产物纯度较低、工艺繁杂、能耗高、以及侧重正极材料回收却忽视其他材料的不足,他们通过开发新型电化学回收体系,对回收工艺进行简化,从而有效提高回收产物的纯度。并利用回收产物来重新制备磷酸铁锂正极材料,将其与废旧石墨负极重新组装全电池,实现了正负极材料的循环利用。

同时,其还借助摩擦纳米发电机材料来源广泛的特性,利用废旧的电池壳、隔膜、集流体等部件设计摩擦纳米发电机,借助摩擦纳米发电机来收集环境中的机械能并将其转化为电能,从而为电化学回收装置供电,实现了自驱动废旧磷酸铁锂电池回收系统的构建。

同时,由于化学试剂用量降低、工艺流程简化、以及采用自驱动系统设计方法,这让本次回收系统的产率得以提升,生产成本也得以降低。

(来源:Energy & Environmental Science)

王杰表示:“由于本研究涉及大量的验证过程,因此每次在实验室开始试验,路过的研究室成员都会好奇地问东问西,比如这个瓶瓶罐罐是什么?为什么颜色会变黄?这个反应的原理是什么?大家都像好奇宝宝一样探索着未知。”而在做完一系列实验之后,他们开始撰写论文。

最终,相关论文以《利用摩擦电纳米发电机自行回收废旧磷酸铁锂电池》(Self-powered recycling of spent lithium iron phosphate batteries via triboelectric nanogenerator)为题发在 Energy & Environmental Science (IF 32.5),Zhang Baofeng 是第一作者,王杰担任通讯作者 [1],中国科学院院士王中林是共同作者之一。

图 | 相关论文(来源:Energy & Environmental Science)

不过,在锂电池回收上该团队依旧处于刚起步的阶段。随着研究的深入,他们发现还有很多细分研究方向。

比如,对正极材料来说,虽然本次系统具备生成物纯度较高、操作简便等优点,但能否在不区分材料种类的情况下一次性高效回收所有元素?这依然是一个待解之题。

另外,对于电解液来讲,能否寻找一种合适的催化剂,通过简单的处理就能够将其降解成无害的物质?以及锂电池回收材料的出路到底在哪里?更加高值化利用的途径是什么?能不能不做成电池或做成其他功能材料?这些都是他们即将探索的问题。

参考资料:

1.Zhang, B., He, L., Wang, J., Liu, Y., Xue, X., He, S., ... & Wang, Z. L. (2023). Self-powered recycling of spent lithium iron phosphate batteries via triboelectric nanogenerator. Energy & Environmental Science , 16(9), 3873-3884.

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