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【中国科学报】“双循环”让退役锂电池有了新出路
来源:中国科学报 张双虎 发表于 2023/11/23

自驱动磷酸铁锂回收系统。受访者供图


当实验台上的摩擦纳米发电机开始嗡嗡运转时,旁边大烧杯里,一簇细密的气泡逐渐在阴极聚集。这预示着,即将迎来“退役潮”的废旧锂电池的回收方案浮出水面。


日前,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、王杰研究员团队基于摩擦纳米发电机的自驱动原理,构建出一套废旧锂电池回收系统。利用该系统可生成能直接利用的高纯度碳酸锂、磷酸铁。在多项前沿技术加持下,该系统以摩擦纳米发电机供电回收废旧锂电池,并将部分回收材料用于制造摩擦纳米发电机,构建了材料和能量的“双循环”。


“这是整合了‘新型有效电化学回收体系’‘摩擦纳米发电技术’和‘回收产物再利用技术’等前沿技术的自驱动磷酸铁锂回收系统。”王杰告诉《中国科学报》,“与传统回收技术相比,该回收系统在环保和经济效益方面优势明显。”


锂电池将迎来“退役潮”

当前,低碳发展的理念深入人心。新能源汽车、储能等产业得到长足发展,锂电池是主要动力或储能设备。锂电池平均使用寿命为6至8年,我们即将迎来大规模的锂电池“退役潮”。


据中国汽车工程学会预测,我国退役动力电池2023年将达到104万吨,到2030年将达350万吨。同时,动力电池所用的锂、钴、镍资源缺少程度加剧,随着全球电动化战略转型的加速,资源短缺问题日益突出。


“如果不能正确、有效处理废弃锂电池,电解液、重金属、塑料等物质会给环境带来巨大压力。”王杰说,同时,废旧锂电池中有可观的锂、镍、钴、锰、铜、铝等金属元素,是宝贵的资源。不论从环境保护还是从资源利用的角度看,都需要回收利用废旧电池。


但锂电池回收问题重重。一是传统回收方式工艺复杂,高能耗、高排放,还会带来二次污染。二是回收所得产物纯度较低,多次提纯会抬高成本。


目前,主流新能源汽车采用三元聚合物锂电池(俗称三元锂电池)或磷酸铁锂电池。前者能量密度高、续航里程长,后者安全性能更好。其中三元锂电池因含有贵金属原材料,人们对其回收意愿较强,对该领域回收技术研究较多。而约占市场保有量六成的磷酸铁锂电池原料相对便宜,回收产物价值不高、回收工艺复杂,没有人愿意回收。因此,亟须开发一种简单、便捷、环保又有效的回收方式。


王中林、王杰团队开发的回收系统采用电化学法氧化食盐水,利用生成的次氯酸进行氧化还原,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,将湿法回收的10个步骤减少为4个,在简化工艺流程的同时节能环保、降低成本。


“按照现行工业标准,反应物磷碳酸锂和磷酸铁纯度达到99.5%就可以直接利用。”王杰说,“我们这种方法回收产物的纯度分别达99.70%和99.75%,可以省去高能耗、高排放的提纯步骤,能直接利用。”


“跑题”讨论引来“双循环”研究

“一个有意义的课题需要从社会需求出发,聚焦于解决生产生活中的瓶颈问题。”王杰说,“该项目立足自身优势,综合实验室在锂离子电池、摩擦纳米发电机、自驱动系统、自驱动电化学方面的积累,通过多项前沿技术叠加,终获得突破并实用化。”


其研究思路的缘起,来自团队3年前一次头脑风暴时话题“跑偏”的讨论和此后将多项前沿技术叠加创新的尝试。


王中林带领团队长期从事摩擦纳米发电机相关研究。制造摩擦纳米发电机的材料广泛,为了降低成本,他们曾研究过用废旧回收材料制造摩擦纳米发电机。


“一开始,为了寻找替代材料,我们尝试过多种回收物品,比如用牛奶包装盒上的铝塑膜、可乐罐的铝材等作为摩擦纳米发电机的原料。”王杰说。


在一次头脑风暴中,团队成员张宝峰提出废旧锂电池中有很多可回收金属和有机薄膜,能用作摩擦纳米发电机原料。接下来的讨论就有点“跑偏”,大家七嘴八舌一阵讨论后,形成的共识竟是——锂电池回收可能会成为一个有很大需求的领域。


王杰曾进行过能源存储技术研究,后来到北京纳米能源与系统研究所跟随王中林研究摩擦纳米发电机,并利用纳米发电机收集环境能量给各种移动传感器、可穿戴设备供电。但环境能量总会遇到不稳定因素,需要用锂电池进行储能“缓冲”。该团队中专门研究锂电池的博士和博士后对锂电池的深入了解,让他们相信自己的判断。此后对回收锂电池行业的调研也证实了上述想法。


进一步的分析中,团队认为电化学回收是一个不错的回收方式,但缺点是耗电量较大。


“我们就是搞发电的,所以当时就想把电池技术、摩擦纳米发电技术和电化学回收技术叠加起来,看能不能找出结合点,把这套回收系统做出来。”王杰说。


技术沉淀和拓展

团队成员具有化学、材料、物理、电子、机械等多学科背景。


一开始,团队分析认为,构建这个“双循环”的基础是电化学回收过程中正极材料的选择。因为反应过程要氧化还原磷酸铁锂。电场虽然是非常好的“还原剂”,但磷酸铁锂不溶于水,直接电化学反应无从谈起。


“我们和电场打交道很多,对电化学比较了解,坚信没有电场氧化/还原不了的东西。如果不能直接氧化还原,就需要找到一个‘中间体’。”王杰解释说,“如果能找到一种溶剂作为‘中间体’,形成另外一种液态氧化剂,再去氧化还原磷酸铁锂,就能让反应顺利进行。”


经过数月的筛选和实验,团队发现次氯酸可以达到上述要求,而次氯酸又可以通过氯化钠溶液在电场中产生。磷酸铁锂粉末被次氯酸包覆,然后进行反应。但次氯酸没有颜色,无法直观判断,研究人员又去寻找指示剂。经过一番实验调试,他们最终将碘化钾溶液作为指示剂,很好解决了这一问题。


反应能进行下去了,团队又发现了新问题。为了实现尽可能多地回收磷酸铁锂,实验中要有足够多的电量。但团队以前的研究专注于“单位面积的输出”,为满足电化学反应需要,他们重新研制了一台直径约30厘米的旋转式摩擦纳米发电机,并通过优化输出和降压增流措施,满足了实验需要。


在此基础上,团队通过技术沉淀和拓展,将相关技术应用在三元锂电池回收上。目前,该团队已经在实验室完成了废旧三元锂电池的回收。


“目前,该项技术还处于起步阶段,有很多地方需要进一步完善。我们的目标是进一步做深、做细电化学回收,将其拓展成通用技术,用这种模式回收其他锂电池。”王杰补充说,“我们计划完成更多锂电池材料,包括封装材料、电解液等的回收利用。这样,锂电池用完后就能完全无害地回收利用。”


(原载于《中国科学报》 2023-11-22 第3版 领域)

责任编辑:梁春雨

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