南洋理工大學最新研究，通過果皮讓舊電池重獲新生

2020-09-03 新加坡高校聯盟

南洋理工大學的科學家們開發了一種新穎的方法，利用果皮廢料從廢舊鋰離子電池中提取和再利用貴重金屬，從而製造出新電池。該研究團隊使用桔皮展示了他們的概念，桔皮可以有效地從電池廢料中回收珍貴的金屬。然後，他們用這些回收的金屬製成了功能性電池。


通過果皮再生「舊電池」


該研究團隊的科學家利用果皮廢料從廢舊鋰離子電池中提取和再利用貴重金屬，從而製造出新電池。他們的「資源變廢為寶」方法既解決了食品浪費，又解決了電子廢物，支持了零浪費的循環經濟的發展，在這種經濟中資源被儘可能長時間地使用。估計全球每年產生13億噸食物垃圾和5000萬噸電子垃圾。

Dalton Tay Chor Yong 教授（左） Madhavi Srinivasan 教授（右） 來源：NTU官網

廢舊電池通常經過極端加熱（超過500°C）處理，以熔化貴重金屬，這些金屬會散發出有害的有毒氣體。正在探索使用強酸溶液或弱酸溶液與過氧化氫提取金屬的替代方法，但它們仍會產生構成健康和安全風險的二次汙染物，或依賴危險且不穩定的過氧化氫。

NTU新加坡—CEA循環經濟研究聯盟（NTU SCARCE）實驗室聯合主任Madhavi Srinivasan教授說：「隨著電子廢物數量的增長，迫切需要環保方法。我們的團隊已經證明，使用生物可降解物質是可行的。」

「這些發現是基於我們在NTU能源研究所（ERI @ N）的SCARCE現有工作基礎上得出的。SCARCE實驗室的建立旨在開發更環保的電子垃圾回收方式。它也是NTU智能校園計劃的一部分，該計劃旨在為可持續發展的未來開發技術先進的解決方案。」

部分實驗材料，來源：NTU Facebook

NTU材料科學與工程學院和生物科學學院的助理教授Dalton Tay表示：「在新加坡這個資源稀缺的國家，城市採礦過程從各種廢棄電子產品中提取有價值的金屬變得非常重要。通過這種方法，我們不僅通過儘可能多地使用這些貴金屬來解決資源枯竭的問題，而且還解決了電子垃圾和食物垃圾積聚的問題，這兩者都是日益嚴重的全球危機。」


低成本和可持續的方法


通過工業方法回收產生有害汙染物的電池廢料，越來越多地探索使用水作為萃取溶劑的溼法冶金。此過程涉及首先粉碎並粉碎用過的電池，以形成稱為黑團的粉碎材料。然後，研究人員在加熱使黑色金屬沉澱之前，將其溶於強酸或弱酸與其他化學物質（如過氧化氫）的混合物中，從黑色物質中提取有價值的金屬。

Tay教授說，雖然相對於傳統方法而言，其在生態上比傳統方法更為環保，但在工業規模上使用此類強化學品可能會產生大量的二次汙染物，構成重大的安全和健康風險。

NTU小組發現，將經過烤箱乾燥並磨成粉末的橙皮與柑桔類水果中發現的一種弱有機酸檸檬酸結合使用，可以達到相同的目標。

從廢料到資源回收電池的方法 來源：《Environmental Science & Technology》

在實驗室實驗中，研究小組發現他們的方法成功地從廢舊鋰離子電池中提取了約90％的鈷，鋰，鎳和錳，其功效與使用過氧化氫的方法相當。

Tay教授解釋說：「關鍵在於桔皮中發現的纖維素，在提取過程中加熱後會轉化為糖。這些糖增強了電池廢料中金屬的回收率。在橙皮中發現的天然抗氧化劑，例如黃酮類化合物和酚酸，也可能有助於這種增強。」重要的是，發現此過程產生的固體殘留物是無毒的，這表明該方法對環境無害。

然後，他們從回收的材料中組裝出新的鋰離子電池，該電池顯示出與商用電池相似的充電容量。正在進行進一步的研究以優化這些由回收材料製成的新電池的充放電循環性能。

廢舊鋰電池回收的機制和過程解析 來源：《Environmental Science & Technology》

該團隊現在正在尋求進一步改善由處理過的電池廢料產生的電池的性能。他們還在優化條件以擴大生產規模，並探索在過程中取消使用酸的可能性。

也是來自南大材料科學與工程學院和ERI@N的Madhavi教授說：「這種廢物轉化為資源的方法還可能擴展到其他類型的富含纖維素的水果和蔬菜廢物以及鋰離子電池類型，例如磷酸鐵鋰和鋰鎳錳鈷氧化物。這將有助於朝著新的電子垃圾循環經濟邁進一大步，並以更綠色，更可持續的方式為我們的生活提供動力。」


參考文獻：

  1. Paper 『Repurposing of Fruit Peel Waste as a Green Reductant for Recycling of Spent Lithium-Ion Batteries』 published in Environmental Science & Technology 2020 54 (15), 9681-9692
  2. NTU官網：《NTU Singapore scientists use fruit peel to turn old batteries into new》

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