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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(xiàng)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。
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(UniversityofCaliforniaSanDiego)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(xiàng)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?yàn)樗鼈儾皇褂觅F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Model3也選擇了LFP電池。
“鑒于上述優(yōu)點(diǎn),LFP電池將比市場上其他鋰離子電池更具競爭優(yōu)勢。”UC圣迭戈分校的納米工程學(xué)教授ZhengChen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?!?/p>
Chen及其團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士后研究員的PanpanXu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(coincell)和軟包電池(pouchcell)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(diǎn),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(shí)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(diǎn),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(yùn)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?!?/p>