環保方法可降低鋰離子電池的回收成本

在重新註冊之前（左）和後（右）的已用磷酸鐵鋰 （LFP） 陰極的 SEM 圖像。來源：徐潘潘

將廢陰極恢復為薄荷狀態的新工藝可以使回收鋰離子電池更加經濟。該工藝由加州大學聖地牙哥分校的納米工程師開發，比現在的方法更環保;它使用更環保的成分，消耗80%至90%的能源，並排放約75%的溫室氣體。

研究人員在11月12日出版的《焦耳》的一篇論文中詳細介紹了他們的工作。

該工藝在磷酸鐵鋰或LFP的陰極上特別有效。使用 LFP 陰極製造的電池成本低於其他鋰離子電池，因為它們不使用昂貴的金屬，如鈷或鎳。LFP 電池的使用壽命更長，更安全。它們廣泛應用於電動工具、電動公共汽車和能源網。它們也是特斯拉模型3的首選電池。

加州大學聖地牙哥分校納米工程學教授鄭晨表示："鑑於這些優勢，LFP電池將在市場上與其他鋰離子電池相比具有競爭優勢。

問題出在哪裡？"回收這些產品不具有成本效益，"陳說。"塑料也有同樣的兩難處境——材料價格便宜，但回收方法卻不一。

陳和他的團隊開發的新回收工藝可以降低這些成本。它在低溫（60至80攝氏度）和環境壓力下工作，使其與其他方法相比，功耗更低。此外，它使用的化學物質——鋰鹽、氮、水和檸檬酸——是廉價和良性的。

"整個再生過程在非常安全的條件下工作，因此我們不需要任何特殊的安全預防措施或特殊設備。這就是為什麼我們能如此低廉地回收電池，"第一作者、陳實驗室博士後研究員徐潘潘說。

研究人員首先循環使用商用LFP細胞，直到它們失去了一半的儲能能力。他們把細胞拆開，收集陰極粉末，浸泡在含有鋰鹽和檸檬酸的溶液中。然後，他們用水清洗溶液，乾燥粉末並加熱。

研究人員從粉末中製造出新的陰極，並在硬幣細胞和袋細胞中測試。他們的電化學性能、化學成分和結構都完全恢復到原來的狀態。

隨著電池的循環，陰極經歷了兩個主要的結構變化，這是導致其性能下降的原因。首先是鋰離子的流失，它造成了空地，稱為陰極結構中的空位。另一種發生在鐵離子和鋰離子在晶體結構中切換點時。當這種情況發生時，它們無法輕易切換回來，因此鋰離子會被困，無法再循環通過電池。

該工藝通過補充鋰離子和使鐵離子和鋰離子輕鬆切換回原始位置來恢復陰極的結構。後者是使用檸檬酸完成的，檸檬酸是一種還原劑，一種將電子捐贈給另一種物質的物質。檸檬酸將電子轉移到鐵離子上，使它們少帶正電荷。這樣可以最大限度地減少電子排斥力，防止鐵離子回到晶體結構中的原始位置，並將鋰離子釋放回循環。

雖然這種回收過程的總體能源成本較低，但研究人員說，還需要進一步研究收集、運輸和處理大量電池的物流。

"如何優化這些物流是下一個挑戰，"陳說。"這將使這種回收過程更接近於行業採用。