科學家用果皮把舊電池變成新電池

2020-09-04 科博園

由新加坡南洋理工大學（NTU新加坡）領導的科學家們開發了一種新穎的方法，利用果皮廢料從廢鋰離子電池中提取和再利用貴重金屬，從而製造出新電池。

該團隊使用橙皮展示了他們的概念，橙皮可以有效地從電池廢料中回收貴金屬。然後，他們用這些回收的金屬製成功能性電池，在此過程中產生的廢物最少。

科學家們說，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。

廢舊電池通常採用極高的溫度（超過500°C）進行處理，以熔化有價值的金屬，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）實驗室的聯合主任馬德哈維·斯裡尼瓦桑（Madhavi Srinivasan）教授說：「當前電子廢物的工業循環利用過程消耗大量能源，並排放有害汙染物和液體廢物，隨著電子廢物數量的增長，迫切需要採用環保的方法。我們的團隊已經證明，使用可生物降解的物質是可行的。這些發現是建立在我們NTU能源研究所（ERI）的SCARCE現有工作基礎上的。SCARCE實驗室的建立是為了開發更環保的電子垃圾回收方式，也是NTU智能校園計劃的一部分，該計劃旨在為可持續的未來開發技術先進的解決方案。」

NTU材料科學與工程學院和生物科學學院的助理教授道爾頓·泰（Dalton Tay）說：「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重金屬來解決資源枯竭的問題，而且還解決了電子廢物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，可持續的方法

通過工業方法來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。此過程包括先將舊電池切碎並壓碎，形成稱為黑團的壓碎材料。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。

道爾頓·泰教授說，雖然相對於傳統方法而言，其相對生態友好，但在工業規模上使用這種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碎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。

在實驗室實驗中，研究小組發現他們的方法成功地從廢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。

道爾頓·泰教授解釋說：「關鍵在於橙皮中存在的纖維素，在提取過程中加熱時會轉化為糖。這些糖增強了電池廢料中金屬的回收。橙皮中天然存在的抗氧化劑，例如類黃酮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。

他們從回收的材料中組裝出新的鋰離子電池，其充電容量與商用電池相似。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。

研究人員說，這表明這項新技術「在工業意義上回收廢舊鋰離子電池實際上是可行的」。

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。

也是來自南洋理工大學材料科學與工程學院的馬德哈維教授說：「這種廢物資源化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中。離子電池類型，例如磷酸鐵鋰和鋰鎳錳鈷酸鋰。這將有助於朝著新的電子垃圾循環經濟邁進，並以更綠色、更可持續的方式為我們的生活提供動力。」

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