中國科學(xué)院團隊打造新型廢舊電池回收系統(tǒng)，碳酸鋰和磷酸鐵的回收產(chǎn)物純度均高于90%
發(fā)布時間：2023-10-16 來源：未知 分享到：
近日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士/王杰研究員和團隊，基于摩擦納米發(fā)電機的自驅(qū)動原理，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”等前沿技術(shù)也具有單獨應(yīng)用的廣闊前景。具體來講，主要包括如下部分：其一，通過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，實現(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 個步驟縮短為 4 個步驟，在簡化工藝流程的同時，還具備節(jié)能環(huán)保降成本的優(yōu)點。同時，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，通過氣氛隧道爐燒結(jié)的方法，即可實現(xiàn)高性能磷酸鐵鋰的重新制備。同時，由于這種原材料來源于回收的前驅(qū)體，因此所制備的磷酸鐵鋰正極材料具有非常高的性價比優(yōu)勢。其三，將摩擦納米發(fā)電機實現(xiàn)能源自給與系統(tǒng)自驅(qū)動。作為一種新型能量獲取器件，摩擦納米發(fā)電機具有體積小、重量輕、價格低廉、低頻高效等優(yōu)勢，能將環(huán)境中廣泛存在的機械能比如風(fēng)能、人體運動機械能、水滴能等轉(zhuǎn)換為電能。同時，借助其制備材料來源廣泛的優(yōu)點，通過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)電機作為電力補充，就能有效降低用電量，助力于提升系統(tǒng)的自驅(qū)動性能。綜上，整合之后的自驅(qū)動磷酸鐵鋰回收系統(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)計原則提供了有力借鑒，預(yù)計能引起能源領(lǐng)域與可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。（來源：Energy & Environmental Science）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)模化生產(chǎn)與使用不斷提質(zhì)加速，鋰電池作為新能源汽車的“心臟”也迎來爆發(fā)式增長。鑒于新能源汽車動力電池的平均使用壽命約為 6-8 年，動力電池在未來將迎來大規(guī)模退役潮。據(jù)預(yù)測，至 2025 年全球動力電池回收市場規(guī)模將由 2021 年的 55 億元迅速增長至 588 億元，至 2030 年將增長至高達 3000 億元。雖然鋰離子電池在使用過程中不會產(chǎn)生有毒有害的物質(zhì)，但如果不能對廢棄后的鋰離子電池進行正確、有效地處理，廢舊鋰電池中的電解液、重金屬、塑料等物質(zhì)會給環(huán)境帶來重大的污染。同時，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)境保護還是從資源利用角度，都需要對廢舊電池進行回收再生。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)濟效益高的正極材料，對于附加值較低的負(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)一種簡單便捷的回收方式來實現(xiàn)回收產(chǎn)物的高值化。同時，對附加值較低的部件進行有效利用，從而拓展其用途。（來源：Energy & Environmental Science）基于摩擦納米發(fā)電機的電化學(xué)全回收基于此，該團隊開展了本次課題。他們認(rèn)為一個有意義的課題需要從社會生產(chǎn)的需求出發(fā)，聚焦于解決社會生產(chǎn)生活中的瓶頸問題，立足并發(fā)揮自身的優(yōu)勢特長，最終實現(xiàn)科技突破與實用化。由于該項目面向工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的突出問題，因此在立項初期他們就設(shè)立了“立足鋰電回收，設(shè)計新模式，開發(fā)前沿科技”的理念。同時，綜合該實驗室在鋰離子電池、摩擦納米發(fā)電機、自驅(qū)動系統(tǒng)、自驅(qū)動電化學(xué)的堅實基礎(chǔ)，他們選擇了“基于摩擦納米發(fā)電機的自驅(qū)動廢舊磷酸鐵鋰電池回收系統(tǒng)”這一課題。該團隊的成員具有化學(xué)、材料、物理、電子、機械等多種背景，從事的研究課題也各有側(cè)重。通過此，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)動電化學(xué)回收”進行不斷升華，直到提煉出最終的研究目標(biāo)：“基于摩擦納米發(fā)電機的電化學(xué)全回收”。（來源：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，他們通過開發(fā)新型電化學(xué)回收體系，對回收工藝進行簡化，從而有效提高回收產(chǎn)物的純度。并利用回收產(chǎn)物來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，實現(xiàn)了正負(fù)極材料的循環(huán)利用。同時，其還借助摩擦納米發(fā)電機材料來源廣泛的特性，利用廢舊的電池殼、隔膜、集流體等部件設(shè)計摩擦納米發(fā)電機，借助摩擦納米發(fā)電機來收集環(huán)境中的機械能并將其轉(zhuǎn)化為電能，從而為電化學(xué)回收裝置供電，實現(xiàn)了自驅(qū)動廢舊磷酸鐵鋰電池回收系統(tǒng)的構(gòu)建。同時，由于化學(xué)試劑用量降低、工藝流程簡化、以及采用自驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計方法，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。（來源：Energy & Environmental Science）
