從廢棄到新生！中國科學(xué)家提出一步法電池回收工藝

時間:2024-07-01 09:42來源:科普中國 作者:石暢
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       近年來，為應(yīng)對全球環(huán)境危機(jī)和減少碳排放，各國都在積極地推廣新能源汽車。據(jù)統(tǒng)計，自2014年新能源汽車進(jìn)入乘用車市場以來，新能源汽車的產(chǎn)銷量不斷增加。
 
       截至2023年，中國新能源汽車的產(chǎn)銷量已接近1000萬輛，新能源汽車在中國汽車市場中的占有率已超過30%。值得關(guān)注的是，按照動力電池的平均使用壽命5-8年計算，中國早期推廣的新能源汽車動力電池陸續(xù)進(jìn)入“退役”期。
 
       廢舊電池如果處理不妥當(dāng)，其含有的重金屬和有害化學(xué)物質(zhì)會對土壤和水資源造成嚴(yán)重污染，威脅整個生態(tài)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定。
 
       預(yù)計到2030年，新能源汽車產(chǎn)生的廢舊動力電池將超過300萬噸，但是中國新能源汽車動力電池規(guī)范化回收率不足30%。因此，廢舊動力電池的回收和處理成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。
 
       2024年5月14日，我國科學(xué)家在《自然可持續(xù)》（NatureSustainability）雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于退役動力電池可持續(xù)回收的文章，有望加快動力電池先進(jìn)回收技術(shù)的推廣和應(yīng)用，推動電池回收行業(yè)商業(yè)化快速發(fā)展。
研究成果發(fā)表于《自然可持續(xù)》雜志（圖片來源：《自然可持續(xù)》雜志）
 
       在本研究中，作者利用浸出和共沉淀兩個反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了鋰電池正極材料中高值金屬元素的提取和電極的再生。在浸出過程中，作者利用不同金屬元素在乙酸中的溶解效率不同的特點(diǎn)，選擇性地溶解出鋰電池正極材料中的高值金屬元素，包括鋰、鈷、鎳和錳，再通過過濾得到清澈透明的滲濾液。
 
       為最大限度地保留鋰電池正極元素的高附加值，作者利用氨和氫氧化鈉的混合溶液對浸出液進(jìn)行共沉淀反應(yīng)，以在連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器中制備球形前驅(qū)體。
 
       其中，氨作為螯合劑可與浸出液中的過渡金屬形成金屬-氨絡(luò)合物，防止共沉淀過程中的分相沉淀。在共沉淀過程中，除鋰離子外，超過99.8%的高價值金屬通過具有設(shè)計比例的鎳、鈷和錳的球形前驅(qū)體回收。最后經(jīng)過高溫鋰化反應(yīng)，獲得了再生的R-NCM正極材料。
高價值元素的提取（a.金屬溶解效率與漿料濃度的關(guān)系；b.不同類型的酸溶液對鋰電池中金屬的溶解效率對比；c.真空輔助過濾。）（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）
 
       實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，R-NCM再生正極材料表現(xiàn)出高可逆容量和高庫倫效率（＞99.7%）。在穩(wěn)定性方面，該正極材料經(jīng)過500次充放電循環(huán)后容量保持率為81.2%，優(yōu)于商業(yè)NCM正極材料（容量保持率為50.1%），并且該再生正極材料保留了前體的球形結(jié)構(gòu)，循環(huán)過程中微裂紋極小，相穩(wěn)定性強(qiáng)。
 
       與商用NCM正極材料相比，R-NCM可再生正極材料的生產(chǎn)和使用可有效降低全球變暖的潛勢和化石資源稀缺性。在電池成本方面，R-NCM可再生正極材料的使用可將鋰離子電池組和鈉離子電池組的制造成本分別降低21.65美元每千瓦時和41.67美元每千瓦時。
鋰離子電池再生正極材料（a.球形R-NCM粉末的SEM圖像和元素分布圖，鎳(藍(lán)色)，鈷(粉紅色)和錳(綠色)，標(biāo)尺為1μm；b.二維的GIXRD圖像；c.鎳的K邊界XANES光譜；d,e,f.電化學(xué)性能表征結(jié)果；g.商用NCM電極和R-NCM電極循環(huán)后的橫截面FIB電鏡圖像，標(biāo)尺為1μm；h.R-NCM電極的原位XRD圖及對應(yīng)的循環(huán)曲線；i.電極表面代表性物質(zhì)的三維重建圖。）（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）
 
目前對于鋰電回收再利用還有哪些做法？
 
       鋰電的回收再利用是指將退役鋰電池通過化學(xué)、物理、生物等手段進(jìn)行拆解，達(dá)到回收鎳、鈷、錳、鋰等金屬元素及其他可回收材料的目的。目前鋰電池回收再利用的方法主要有濕法回收、火法回收和生物回收等。
 
       濕法回收是指利用化學(xué)試劑對電極材料中的金屬進(jìn)行選擇性地溶解，再分離浸出液體中的金屬元素。該技術(shù)具有回收率高、產(chǎn)品純度較高、能耗較低的優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用范圍最廣的回收技術(shù)。
 
       火法回收是指通過高溫手段將廢舊電池中的雜質(zhì)去除，最終提取出含有金屬及其化合物的細(xì)粉狀材料。該技術(shù)操作工藝簡單，效率比較高，適應(yīng)于處理大量或者結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電池。
 
       生物回收是指利用微生物等的代謝過程將廢舊電池中的金屬元素選擇性浸出，實(shí)現(xiàn)提取高值金屬元素的目的。該技術(shù)對環(huán)境友好，但是目前仍處于研發(fā)階段，技術(shù)尚不成熟。
 
鋰電池環(huán)�；厥諏ξ覀兩畹挠绊�？
 
1
環(huán)境保護(hù)
 
       鋰電池回收能夠顯著減少廢舊電池對環(huán)境的污染。通過專業(yè)的回收處理，可以防止廢舊電池中的有害物質(zhì)，如重金屬、有機(jī)溶劑等泄漏到環(huán)境中，保護(hù)土壤和水資源。
 
2
資源節(jié)約
 
       鋰電池回收可以實(shí)現(xiàn)對高價值和稀有材料的再利用。如回收的鋰、鎳、鈷等金屬元素經(jīng)過精煉和提純后，可以再次作為原材料用于生產(chǎn)新的電池，降低生產(chǎn)成本，節(jié)約資源。
 
       此外，回收的電池芯片和電解液等也可以進(jìn)行回收處理或再利用，進(jìn)一步提高了資源利用效率。
 
結(jié)語
 
       新能源汽車作為環(huán)保出行的新選擇，不僅為我們的出行方式帶來了革命性的改變，更為環(huán)境保護(hù)作出了巨大的貢獻(xiàn)。盡管廢舊電池的回收技術(shù)可以在一定程度上緩解廢舊電池對環(huán)境的污染，但還是提倡我們在日常生活中養(yǎng)成良好的用車習(xí)慣，延長電池的使用壽命，減少廢舊電池的產(chǎn)生，為地球環(huán)境貢獻(xiàn)一份綠色力量。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 電池回收
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