比亞迪刀片鋰電池

一種回收此類電池的新方法可以幫助滿足飛速增長的需求

鋰離子電池幾乎是每輛電動汽車、筆記本電腦和智能手機的核心，在面對氣候緊急情況時，它們對儲存可再生能源至關(guān)重要。但是，目前世界上所有的采礦業(yè)都無法提取足夠的鋰和其他關(guān)鍵礦物來滿足對這些電池的飛速增長的需求。建立新的礦場是一項昂貴的、長達數(shù)年的努力。而且采礦還造成了一系列環(huán)境問題--例如耗盡當?shù)氐乃Y源和用徑流碎片污染附近地區(qū)--這些都導致了對新礦的抗議。

所有這些都意味著回收現(xiàn)有電池的能力對于可持續(xù)地改變?nèi)蚰茉聪到y(tǒng)至關(guān)重要。但是回收鋰離子電池只是在最近才有了商業(yè)上的進展。電池制造商一直猶豫不決，因為他們擔心回收的產(chǎn)品可能比那些由新開采的礦物制成的產(chǎn)品質(zhì)量低，可能導致電池壽命縮短或電池內(nèi)部損壞。后果可能很嚴重，特別是在電動汽車這樣的應(yīng)用中。

但是發(fā)表在《焦耳》上的新研究發(fā)現(xiàn)了專家們所描述的一種更優(yōu)雅的回收方法，它可以翻新陰極--這種精心制作的晶體是鋰離子電池最昂貴的部件，是提供適當電壓的關(guān)鍵。研究人員發(fā)現(xiàn)，他們用新的陰極回收技術(shù)制造的電池與那些使用從頭開始制造的陰極的電池性能一樣好。事實上，使用回收陰極的電池壽命更長，充電更快。美國陸軍研究實驗室的電化學家Kang Xu說，該團隊的方法和成功示范是 "非常獨特和非常令人印象深刻的"，他沒有參與這項研究。

不再是笑話

美國伍斯特理工學院（Worcester Polytechnic Institute）的材料科學教授，這項新研究的共同作者Yan Wang（音譯：王彥）在11年前開始研究電池回收。他說：“當時，有些人跟我開玩笑說沒有足夠的電池供你回收?！比缃窨磥?，這個笑話并沒有過時了。美國能源部估計電池市場在未來十年可能會增長10倍。為了緩解市場增長的壓力，能源部車輛技術(shù)辦公室主任Dave Howell說："鋰電池的回收--讓這種材料回到供應(yīng)鏈中--至關(guān)重要。"因此，美國能源部資助了這項新的研究，作為其在美國促進大規(guī)模電池回收創(chuàng)新的大規(guī)模努力的一部分。

用 X 射線顯微鏡拍攝的回收陰極顆粒 (A) 和由新材料制成的顆粒 (B) 的橫截面。比例尺在 (A) 中為 10 微米，在 (B) 中為 5 微米。

當鋰離子電池供電時，鋰離子簇從一個結(jié)晶“籠”（陽極）移動到另一個（陰極）。目前用于回收這些電池的最常用方法包括拆卸和切碎整個電池，然后將其全部熔化或溶解在酸中。結(jié)果是一團黑色物質(zhì)——其質(zhì)地可以從粉末到粘液不等——可以從中回收化學元素或簡單的化合物。然后，這些回收的產(chǎn)品可以通過與新開采的元素制造陰極相同的商業(yè)制造過程。

王彥和他的同事們使用了一個非常類似的過程--但他們的技術(shù)不是將電池完全分解成其組成的化學元素，而是將舊陰極的一些關(guān)鍵成分保持不變。在他們切碎電池后，他們用物理方法去除不太昂貴的部分（如電子電路和鋼制電池外殼），并單獨回收它們。剩下的主要是陰極材料；他們將其溶解在酸中，然后去除雜質(zhì)。接下來，他們小心翼翼地添加一些構(gòu)成陰極的新鮮元素，如鎳和鈷，以確保成分的比例恰到好處--這是與普通回收方法的另一個區(qū)別。再經(jīng)過幾個步驟，結(jié)果是有效地刷新了陰極粉末，由微小的結(jié)晶顆粒組成，可以粘在金屬條上，并放置在 "新 "電池中。

由于陰極是由貴重礦物的精確混合制成的，以達到電池的特定電壓，其結(jié)構(gòu)或成分的輕微變化會影響其性能。因此，陰極粉末的大部分價值在于 "你首先是如何設(shè)計這些顆粒（粉末）的"，英國英格蘭伯明翰大學能源材料教授Emma Kendrick說，他沒有參與這項新研究。如果像目前的回收方法那樣，整個電池被簡單地熔化或一次性溶解，那么這種價值就會喪失。

更多的孔隙，更快的充電

王彥和他的同事比較了他們回收的陰極粉中的顆粒和商業(yè)制造的陰極粉（主要由新開采的礦物制成）中的顆粒。他們發(fā)現(xiàn)，回收的粉末顆粒多孔性更強，每個顆粒的中心有特別大的空隙。這些特性為陰極晶體提供了空間，當鋰離子擠入其中時，陰極晶體可以略微膨脹，而這種擺動空間使晶體不會像從頭開始制造的陰極那樣容易開裂。隨著時間的推移，這種裂紋是導致電池退化的一個主要原因。

更多的孔隙也意味著更多暴露的表面區(qū)域，在那里可以發(fā)生為電池充電所必需的化學反應(yīng)--這就是為什么Wang的回收電池比其商業(yè)制造的同類電池充電更快。王說，未來的目標可能是將所有陰極設(shè)計成具有這種優(yōu)越的結(jié)構(gòu)，而不僅僅是那些由回收材料制成的陰極。

美國阿貢國家實驗室的運輸分析員和ReCell中心的首席科學家Linda Gaines說："他們能夠制造的陰極與我們一直在進口的商業(yè)材料一樣好，甚至更好。(Gaines沒有參與這項新的研究。）這種進口主要來自中國，中國在電池回收方面處于世界領(lǐng)先地位。但是，這種情況意味著材料必須在全球范圍內(nèi)洗牌才能被回收，增加了回收電池的碳足跡，削弱了其作為更可持續(xù)發(fā)展道路的誘惑力?！?/p>

王彥的團隊開發(fā)的方法削減了很大一部分國際貿(mào)易和運輸要求，為其他國家加強國內(nèi)電池回收開辟了一條潛在的道路。目前，Ascend Elements公司（前身為Battery Resourcers公司）正在擴大該流程的規(guī)模，該公司是王彥創(chuàng)辦的電池回收公司。