從廢棄到新生！中國科學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，為應對全球環境危機和減少碳排放，各國都在積極地推廣新能源汽車。據統計，自2014年新能源汽車進入乘用車市場以來，新能源汽車的產銷量不斷增加。
 
       截至2023年，中國新能源汽車的產銷量已接近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進入“退役”期。
 
       廢舊電池如果處理不妥當，其含有的重金屬和有害化學物質會對土壤和水資源造成嚴重污染，威脅整個生態系統的平衡與穩定。
 
       預計到2030年，新能源汽車產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內關注的焦點。
 
       2024年5月14日，我國科學家在《自然可持續》（NatureSustainability）雜志上發表了一篇關于退役動力電池可持續回收的文章，有望加快動力電池先進回收技術的推廣和應用，推動電池回收行業商業化快速發展。
研究成果發表于《自然可持續》雜志（圖片來源：《自然可持續》雜志）
 
       在本研究中，作者利用浸出和共沉淀兩個反應實現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，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行共沉淀反應，以在連續攪拌罐反應器中制備球形前驅體。
 
       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計比例的鎳、鈷和錳的球形前驅體回收。最后經過高溫鋰化反應，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1）
 
       實驗結果表明，R-NCM再生正極材料表現出高可逆容量和高庫倫效率（＞99.7%）。在穩定性方面，該正極材料經過500次充放電循環后容量保持率為81.2%，優于商業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構，循環過程中微裂紋極小，相穩定性強。
 
       與商用NCM正極材料相比，R-NCM可再生正極材料的生產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(藍色)，鈷(粉紅色)和錳(綠色)，標尺為1μm；b.二維的GIXRD圖像；c.鎳的K邊界XANES光譜；d,e,f.電化學性能表征結果；g.商用NCM電極和R-NCM電極循環后的橫截面FIB電鏡圖像，標尺為1μm；h.R-NCM電極的原位XRD圖及對應的循環曲線；i.電極表面代表性物質的三維重建圖。）（圖片來源：參考文獻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、物理、生物等手段進行拆解，達到回收鎳、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試劑對電極材料中的金屬進行選擇性地溶解，再分離浸出液體中的金屬元素。該技術具有回收率高、產品純度較高、能耗較低的優點，是目前應用范圍最廣的回收技術。
 
       火法回收是指通過高溫手段將廢舊電池中的雜質去除，最終提取出含有金屬及其化合物的細粉狀材料。該技術操作工藝簡單，效率比較高，適應于處理大量或者結構較為復雜的電池。
 
       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，實現提取高值金屬元素的目的。該技術對環境友好，但是目前仍處于研發階段，技術尚不成熟。
 
鋰電池環保回收對我們生活的影響？
 
1
環境保護
 
       鋰電池回收能夠顯著減少廢舊電池對環境的污染。通過專業的回收處理，可以防止廢舊電池中的有害物質，如重金屬、有機溶劑等泄漏到環境中，保護土壤和水資源。
 
2
資源節約
 
       鋰電池回收可以實現對高價值和稀有材料的再利用。如回收的鋰、鎳、鈷等金屬元素經過精煉和提純后，可以再次作為原材料用于生產新的電池，降低生產成本，節約資源。
 
       此外，回收的電池芯片和電解液等也可以進行回收處理或再利用，進一步提高了資源利用效率。
 
結語
 
       新能源汽車作為環保出行的新選擇，不僅為我們的出行方式帶來了革命性的改變，更為環境保護作出了巨大的貢獻。盡管廢舊電池的回收技術可以在一定程度上緩解廢舊電池對環境的污染，但還是提倡我們在日常生活中養成良好的用車習慣，延長電池的使用壽命，減少廢舊電池的產生，為地球環境貢獻一份綠色力量。
 
(責任編輯：子蕊)
文章標簽： 電池回收
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