中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近日，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、王杰研究員和團(tuán)隊(duì)，基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)原理，成功構(gòu)建一種廢舊磷酸鐵鋰電池回收系統(tǒng)。
利于該系統(tǒng)可以生成碳酸鋰和磷酸鐵這兩種回收中間產(chǎn)物，它們的純度分別達(dá)到 99.70% 和 99.75%，如此之高的純度非常利于后續(xù)生產(chǎn)。
該成果不僅可以直接嫁接轉(zhuǎn)移到鋰電池回收企業(yè)之中，而且其中涉及的“新型電化學(xué)回收體系”“回收產(chǎn)物重新利用”“摩擦納米發(fā)電機(jī)”等前沿技術(shù)也具有單獨(dú)應(yīng)用的廣闊前景。具體來(lái)講，主要包括如下部分：
其一，通過(guò)打造高效新型電化學(xué)回收體系從而用于正極材料的回收。目前，磷酸鐵鋰正極材料的回收主要以濕法回收為主，但是這種方法的工藝較為復(fù)雜，需要使用大量酸堿試劑，很容易造成二次污染。而本次成果采用電化學(xué)法氧化食鹽水，利用生成的 Cl-/ClO-氧化還原對(duì)，實(shí)現(xiàn)磷酸鐵鋰正極材料的回收，這能降低化學(xué)試劑的用量及種類，能將濕法回收的 10 個(gè)步驟縮短為 4 個(gè)步驟，在簡(jiǎn)化工藝流程的同時(shí)，還具備節(jié)能環(huán)保降成本的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，課題組最近的一系列工作表明，本次方法具有較好的通用性，能用于包括三元正極、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等一系列正極材料的回收。
其二，可用于回收產(chǎn)物的重新利用，從而助力新正極材料的制備。鑒于回收中間產(chǎn)物的純度較高，因此可以直接將其作為磷酸鐵鋰正極材料的前驅(qū)體，通過(guò)氣氛隧道爐燒結(jié)的方法，即可實(shí)現(xiàn)高性能磷酸鐵鋰的重新制備。
同時(shí)，由于這種原材料來(lái)源于回收的前驅(qū)體，因此所制備的磷酸鐵鋰正極材料具有非常高的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。
其三，將摩擦納米發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)能源自給與系統(tǒng)自驅(qū)動(dòng)。作為一種新型能量獲取器件，摩擦納米發(fā)電機(jī)具有體積小、重量輕、價(jià)格低廉、低頻高效等優(yōu)勢(shì)，能將環(huán)境中廣泛存在的機(jī)械能比如風(fēng)能、人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能、水滴能等轉(zhuǎn)換為電能。
同時(shí)，借助其制備材料來(lái)源廣泛的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)合理利用電池的廢棄材料，比如電池殼、鋁塑膜、集流體等，再將摩擦納米發(fā)電機(jī)作為電力補(bǔ)充，就能有效降低用電量，助力于提升系統(tǒng)的自驅(qū)動(dòng)性能。
綜上，整合之后的自驅(qū)動(dòng)磷酸鐵鋰回收系統(tǒng)，集成了新型高效的電化學(xué)回收體系，能夠?qū)崿F(xiàn)回收產(chǎn)物的重新利用。其中，摩擦納米發(fā)電機(jī)等前沿技術(shù)，能夠直接遷移并用于電池回收企業(yè)。
在鋰電池全回收的實(shí)際應(yīng)用中，本次系統(tǒng)具有較好的可行性，為廢舊鋰電池回收的設(shè)計(jì)原則提供了有力借鑒，預(yù)計(jì)能引起能源領(lǐng)域與可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。
（來(lái)源：Energy & Environmental Science）
高漲的鋰電池市場(chǎng)，欠佳的鋰電池回收
如今，隨著能源轉(zhuǎn)型及碳中和理念的深入人心，新能源汽車規(guī)?；a(chǎn)與使用不斷提質(zhì)加速，鋰電池作為新能源汽車的“心臟”也迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。
鑒于新能源汽車動(dòng)力電池的平均使用壽命約為 6-8 年，動(dòng)力電池在未來(lái)將迎來(lái)大規(guī)模退役潮。據(jù)預(yù)測(cè)，至 2025 年全球動(dòng)力電池回收市場(chǎng)規(guī)模將由 2021 年的 55 億元迅速增長(zhǎng)至 588 億元，至 2030 年將增長(zhǎng)至高達(dá) 3000 億元。
雖然鋰離子電池在使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生有毒有害的物質(zhì)，但如果不能對(duì)廢棄后的鋰離子電池進(jìn)行正確、有效地處理，廢舊鋰電池中的電解液、重金屬、塑料等物質(zhì)會(huì)給環(huán)境帶來(lái)重大的污染。
同時(shí)，廢棄鋰電池也是寶貴的金屬資源，其含有可觀的鋰、鎳、鈷、錳、銅、鋁等金屬元素。因此，不論是從環(huán)境保護(hù)還是從資源利用角度，都需要對(duì)廢舊電池進(jìn)行回收再生。
目前，鋰離子電池回收方法主要有火法回收、濕法回收和直接修復(fù)等。但對(duì)于磷酸鐵鋰電池而言，其在回收利用方面面臨諸多挑戰(zhàn)。
首先，磷酸鐵鋰材料性能穩(wěn)定，難于通過(guò)火法、濕法等方法回收。其次，傳統(tǒng)回收方式的工藝復(fù)雜、能耗較高，所得產(chǎn)物的純度較低。
再次，磷酸鐵鋰中的貴金屬含量較低，回收成本高但收益卻很低。
此外，傳統(tǒng)回收方式側(cè)重于回收金屬含量、以及經(jīng)濟(jì)效益高的正極材料，對(duì)于附加值較低的負(fù)極材料、隔膜、電池殼等部件不能全面兼顧，這很容易造成新的環(huán)境問(wèn)題。
因此，需要從磷酸鐵鋰電池回收的全局出發(fā)，開發(fā)一種簡(jiǎn)單便捷的回收方式來(lái)實(shí)現(xiàn)回收產(chǎn)物的高值化。同時(shí)，對(duì)附加值較低的部件進(jìn)行有效利用，從而拓展其用途。
（來(lái)源：Energy & Environmental Science）
基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的電化學(xué)全回收
基于此，該團(tuán)隊(duì)開展了本次課題。他們認(rèn)為一個(gè)有意義的課題需要從社會(huì)生產(chǎn)的需求出發(fā)，聚焦于解決社會(huì)生產(chǎn)生活中的瓶頸問(wèn)題，立足并發(fā)揮自身的優(yōu)勢(shì)特長(zhǎng)，最終實(shí)現(xiàn)科技突破與實(shí)用化。
由于該項(xiàng)目面向工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活的突出問(wèn)題，因此在立項(xiàng)初期他們就設(shè)立了“立足鋰電回收，設(shè)計(jì)新模式，開發(fā)前沿科技”的理念。
同時(shí)，綜合該實(shí)驗(yàn)室在鋰離子電池、摩擦納米發(fā)電機(jī)、自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、自驅(qū)動(dòng)電化學(xué)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，他們選擇了“基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)廢舊磷酸鐵鋰電池回收系統(tǒng)”這一課題。
該團(tuán)隊(duì)的成員具有化學(xué)、材料、物理、電子、機(jī)械等多種背景，從事的研究課題也各有側(cè)重。通過(guò)此，他們將本課題的思維導(dǎo)圖清晰化，將研究目標(biāo)從“電化學(xué)回收沉積”“自驅(qū)動(dòng)電化學(xué)回收”進(jìn)行不斷升華，直到提煉出最終的研究目標(biāo)：“基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的電化學(xué)全回收”。
（來(lái)源：Energy & Environmental Science）
研究中，課題組從磷酸鐵鋰電池回收的全局出發(fā)，展示了磷酸鐵鋰電池在回收過(guò)程中各組分的回收及再利用，系統(tǒng)解決了磷酸鐵鋰電池的回收難題。
即針對(duì)鋰電池回收領(lǐng)域存在的產(chǎn)物純度較低、工藝繁雜、能耗高、以及側(cè)重正極材料回收卻忽視其他材料的不足，他們通過(guò)開發(fā)新型電化學(xué)回收體系，對(duì)回收工藝進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而有效提高回收產(chǎn)物的純度。并利用回收產(chǎn)物來(lái)重新制備磷酸鐵鋰正極材料，將其與廢舊石墨負(fù)極重新組裝全電池，實(shí)現(xiàn)了正負(fù)極材料的循環(huán)利用。
同時(shí)，其還借助摩擦納米發(fā)電機(jī)材料來(lái)源廣泛的特性，利用廢舊的電池殼、隔膜、集流體等部件設(shè)計(jì)摩擦納米發(fā)電機(jī)，借助摩擦納米發(fā)電機(jī)來(lái)收集環(huán)境中的機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)化為電能，從而為電化學(xué)回收裝置供電，實(shí)現(xiàn)了自驅(qū)動(dòng)廢舊磷酸鐵鋰電池回收系統(tǒng)的構(gòu)建。
同時(shí)，由于化學(xué)試劑用量降低、工藝流程簡(jiǎn)化、以及采用自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，這讓本次回收系統(tǒng)的產(chǎn)率得以提升，生產(chǎn)成本也得以降低。
（來(lái)源：Energy & Environmental Science）
王杰表示：“由于本研究涉及大量的驗(yàn)證過(guò)程，因此每次在實(shí)驗(yàn)室開始試驗(yàn)，路過(guò)的研究室成員都會(huì)好奇地問(wèn)東問(wèn)西，比如這個(gè)瓶瓶罐罐是什么？為什么顏色會(huì)變黃？這個(gè)反應(yīng)的原理是什么？大家都像好奇寶寶一樣探索著未知?！倍谧鐾暌幌盗袑?shí)驗(yàn)之后，他們開始撰寫論文。
最終，相關(guān)論文以《利用摩擦電納米發(fā)電機(jī)自行回收廢舊磷酸鐵鋰電池》（Self-powered recycling of spent lithium iron phosphate batteries via triboelectric nanogenerator）為題發(fā)在 Energy & Environmental Science（IF 32.5），Zhang Baofeng 是第一作者，王杰擔(dān)任通訊作者 [1]，中國(guó)科學(xué)院院士王中林是共同作者之一。
圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Energy & Environmental Science）
不過(guò)，在鋰電池回收上該團(tuán)隊(duì)依舊處于剛起步的階段。隨著研究的深入，他們發(fā)現(xiàn)還有很多細(xì)分研究方向。
比如，對(duì)正極材料來(lái)說(shuō)，雖然本次系統(tǒng)具備生成物純度較高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但能否在不區(qū)分材料種類的情況下一次性高效回收所有元素？這依然是一個(gè)待解之題。
另外，對(duì)于電解液來(lái)講，能否尋找一種合適的催化劑，通過(guò)簡(jiǎn)單的處理就能夠?qū)⑵浣到獬蔁o(wú)害的物質(zhì)？以及鋰電池回收材料的出路到底在哪里？更加高值化利用的途徑是什么？能不能不做成電池或做成其他功能材料？這些都是他們即將探索的問(wèn)題。
