解決鋰電池回收難，有一種成本更低、更清潔的方法

2020-11-23 北京科協

一項新技術希望通過進一步降低成本和使用環境友好成分，促進鋰電池的回收利用。


用過的 LFP 電極回收前（左）和處理後（右）的掃描電鏡照片。圖片來源：Panpan Xu
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。
一種讓用過的陰極材料恢復至初始狀態的新型處理技術能夠進一步節省鋰離子電池的回收成本。該技術由加利福尼亞大學聖地牙哥分校（University of California San Diego）的納米工程師們研發，比如今使用的方法更加環境友好。它使用更加環保的成分，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 日發表在《焦耳》（Joule）上的論文中，研究人員詳細介紹了這項研究成果。
對於由磷酸鐵鋰（簡稱 LFP）製成的陰極，該處理技術效果尤為理想。LFP 陰極電池比其他鋰離子電池成本更低，因為它們不使用貴金屬材料，比如鈷或者鎳。LFP 電池的使用壽命也更長久，更安全。它們廣泛用於電動工具、電動公交車和電網。特斯拉 Model 3 也選擇了 LFP 電池。
「鑑於上述優點，LFP 電池將比市場上其他鋰離子電池更具競爭優勢。」UC 聖地牙哥分校的納米工程學教授 Zheng Chen 講道。
那存在什麼問題嗎？「這種電池的回收成本效益不高。」Chen 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。」
Chen 及其團隊所研發的新型回收處理技術能夠降低這些成本。該技術能在低溫（60 至 80 攝氏度）和環境壓力下工作，因而比其他方法耗電更少。此外，它使用的化學物質，比如鋰鹽、氮、水和檸檬酸，都很便宜且性質溫和。
該研究的第一作者，在 Chen 實驗室擔任博士後研究員的 Panpan Xu 說：「再利用處理的整個過程在非常安全的條件下進行，所以我們無需任何特殊的安全預防措施或特殊設備。這也就是我們電池回收成本低的原因。」
首先，研究人員重複循環使用 LFP 電池，直到電池失去一半的儲能容量。隨後，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，他們用水洗乾淨溶液，等粉末幹透後再加熱。
研究人員用這些粉末製成新的陰極，在鈕扣電池（coin cell）和軟包電池（pouch cell）中都進行了檢測。它們的電化學性能、化學組成和結構都完全恢復至初始狀態。
隨著電池不斷地循環使用，陰極會經歷兩個重要的結構變化，導致其性能下降。首先是鋰離子的喪失，這會在陰極結構中形成空腔。其次，當晶體結構中的鐵離子和鋰離子交換位置時，會發生另一種結構變化。這種變化一旦發生，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，再也無法在電池內循環。
本研究提出的處理方法首先補充鋰離子，讓鐵離子和鋰離子易於切換回原始位點，從而恢復陰極結構。第二步操作通過使用檸檬酸而實現，檸檬酸作為還原劑發揮作用，可向另一物質提供電子。它將電子轉移至鐵離子，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構中的原始位點，同時將鋰離子釋放回循環中。
雖然這套回收處理技術的總能耗更低，但研究人員表示，仍需展開進一步的研究，了解收集、運輸和處理大量電池等後勤問題。
「下一個挑戰就是搞清楚如何優化這些後勤過程。」Chen 說，「這將讓我們的回收技術向著產業應用更近一步。」
來源連結：
https://eurekalert.org/pub_releases/2020-11/uoc--efm110520.php
封面圖片來源：Pixabay

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