用垃圾果皮「救活」廢舊電池，南洋理工的科學家們做到了

2020-09-04 學術頭條

人類文明的不斷推進給地球帶來了沉重的負擔，據有關統計顯示，全球每年產生 13 億噸食物垃圾和 5000 萬噸電子垃圾。


食物垃圾處理起來比較容易，但是電子垃圾卻往往令人頭痛。廢舊電池通常經過極端加熱（超過 500°C）進行處理，以冶煉出一些貴重的金屬，但是這一過程往往會散發出有害有毒氣體。


近日，新加坡南洋理工大學的科學家們開發了一種新方法，利用果皮廢料從廢舊鋰離子電池中提取出重金屬，並利用這些重金屬製造出新的鋰電池。這項研究的結果發表在《環境科學與技術》上。



通過這種方法處理廢舊電池，不僅可以解決食物垃圾和電子垃圾的問題，並且該過程不會產生有害氣體，同時產生的固體殘留物也被認為是無毒的，這表明該方法對環境無害。


南洋理工大學的研究人員表示，正在做進一步的研究，以優化這些由回收材料製成的新型電池的充放電循環性能。


棘手的廢舊電池回收難題


廢舊電池對環境影響巨大。科學調查表明，一顆普通電池被丟棄在大自然後，可以汙染 60 萬升水，相當於一個人一生的用水量，而中國每年要消耗這樣的電池大約 70 億隻。


不僅僅是中國，這樣的問題同樣困擾著世界其他地方。因此，世界各地的研究人員都在研究各種處理廢舊電池的方法。


比如目前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，但這些方法仍會產生二次汙染物，構成健康和安全風險，或依賴於危險且不穩定的過氧化氫進行處理。



通過工業方法回收產生有害汙染物的電池廢料，即利用水作為提取溶劑的溼法冶金方法，正日益作為一種可能的替代方法加以探索。


這一過程首先將廢舊電池粉碎，形成一種被稱為黑色物質的粉碎材料，然後，通過高溫將其溶解在強酸、弱酸及其他化學物質（如過氧化氫）的混合物中，從黑色物質中提取出有價值的金屬。


對於這種方式，南洋理工大學材料科學與工程學院和生物科學學院的 Dalton Tay 助理教授表示，雖然相對於傳統方法而言這種方法更為環保，但是在工業規模上使用此類強化學物質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。


而在這項最新論文中，研究小組發現，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。


低成本、可持續的方法


在實驗室的試驗中，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大約 90％ 的鈷、鋰、鎳和錳，這一效果與使用過氧化氫的方法相當。



論文作者、南洋理工大學能源研究所 Chor Yong Tay 解釋道，這種方法的關鍵在於橘皮中的纖維素，在提取過程中，它被加熱後會轉化為糖。這些糖能促進從電池廢料中回收金屬。


橘皮中天然存在的抗氧化劑，如類黃酮和酚酸，也有助於這種增強作用。更為重要的是，這種工藝產生的固體殘留物被發現是無毒的，這表明該方法對環境無害。


而且從回收的材料中，該研究團隊組裝出新的鋰離子電池，顯示出與商用電池相似的充電能力。


研究人員表示，這表明新技術「在工業意義上回收廢舊鋰電池實際上是可行的」。進一步的研究正在進行中，以優化這些由回收材料製成的新型電池的充放電循環性能。


「救活」廢舊電池，意義重大


論文通訊作者之一、南洋理工大學新加坡 CEA 循環經濟研究聯盟（NTU SCARCE）實驗室的聯合主任 Madhavi Srinivasan 教授表示：「目前電子垃圾的工業回收過程是能源密集型的，會排放有害汙染物和液體廢物，這表明隨著電子垃圾數量的增加，迫切需要一些環保的方法來解決這些問題。而我們的團隊已經證明，使用生物可降解物質的方法是可行的。」


這些發現是基於南洋理工大學能源研究所現有的工作基礎之上得出的。SCARCE 實驗室的建立旨在開發更環保的電子垃圾回收方式，它也是南洋理工大學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先進的技術解決方案。


Tay 助理教授補充道：「在資源匱乏的新加坡，這種從各種廢棄電子中提取有價值金屬的城市採礦過程顯得非常重要。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的積聚這兩種日益嚴重的全球危機。」


由南洋理工大學領導的一個科學小組已經開發出一種新方法，利用果皮廢料從廢舊鋰離子電池中提取並再利用貴金屬，從而製造出新的電池。Dalton Tay 助理教授（左），Madhavi Srinivasan 教授（右）


Madhavi 教授表示：「這種廢物資源化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中，以及嘗試處理不同的鋰電池類型，例如磷酸鐵鋰和鋰鎳錳鈷氧化物這兩種電池類型。這將有助於我們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。」


該團隊現在正在尋求進一步提高由該方法處理過的電池的性能。他們也在優化實驗條件，以擴大生產規模，並探索在生產過程中日和儘量避免使用酸。


相信在就不久的將來，廢舊鋰電池的處理對於人們來講再也不是一件困難的事情，而地球也將因此避免由鋰電池產生的汙染。


排版：趙辰霞
編審：王新凱


資料來源：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.0c02873
https://scitechdaily.com/scientists-use-fruit-peel-to-turn-old-lithium-ion-batteries-into-new/
https://www.todayonline.com/singapore/tackling-food-and-electronic-waste-ntu-scientists-use-fruit-peel-turn-old-batteries-new

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