中国科学院团队打造新型废旧电池回收系统碳酸锂和磷酸铁的回收产物纯度均高于90%
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中国科学院团队打造新型废旧电池回收系统碳酸锂和磷酸铁的回收产物纯度均高于90%

  • 产品概述

  近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士/王杰研究员和团队,基于摩擦纳米发电机的自驱动原理,成功构建一种废旧磷酸铁锂电池回收系统。

  利于该系统能生成碳酸锂和磷酸铁这两种回收中间产物,它们的纯度分别达到 99.70% 和 99.75%,如此之高的纯度非常利于后续生产。

  该成果不但可以直接嫁接转移到锂电池回收企业之中,而且其中涉及的“新型电化学回收体系”“回收产物重新利用”“摩擦纳米发电机”等前沿技术也具有单独应用的广阔前景。具体来讲,最重要的包含如下部分:

  其一,通过打造高效新型电化学回收体系从而用于正极材料的回收。目前,磷酸铁锂正极材料的回收主要以湿法回收为主,但是这种方法的工艺较为复杂,需要用大量酸碱试剂,非常容易导致二次污染。而本次成果采用电化学法氧化食盐水,利用生成的 Cl-/ClO-氧化还原对,实现磷酸铁锂正极材料的回收,这能降低化学试剂的用量及种类,能将湿法回收的 10 个步骤缩短为 4 个步骤,在简化工艺流程的同时,还具备节能环保降成本的优点。同时,课题组最近的一系列工作表明,本次方法具备比较好的通用性,能用于包括三元正极、磷酸铁锂、钴酸锂等一系列正极材料的回收。

  其二,可用于回收产物的重新利用,从而助力新正极材料的制备。鉴于回收中间产物的纯度较高,因此能直接将其作为磷酸铁锂正极材料的前驱体,通过气氛隧道炉烧结的方法,就可以实现高性能磷酸铁锂的重新制备。

  同时,由于这种原材料来源于回收的前驱体,因此所制备的磷酸铁锂正极材料具备非常高的性价比优势。

  其三,将摩擦纳米发电机实现能源自给与系统自驱动。作为一种新型能量获取器件,摩擦纳米发电机具有体积小、重量轻、价格低、低频高效等优势,能将环境中广泛存在的机械能比如风能、人体运动机械能、水滴能等转换为电能。

  同时,借助其制备材料来源广泛的优点,通过合理规划利用电池的废弃材料,比如电池壳、铝塑膜、集流体等,再将摩擦纳米发电机作为电力补充,就能大大降低用电量,助力于提升系统的自驱动性能。

  综上,整合之后的自驱动磷酸铁锂回收系统,集成了新型高效的电化学回收体系,可以在一定程度上完成回收产物的重新利用。其中,摩擦纳米发电机等前沿技术,能够直接迁移并用于电池回收企业。

  在锂电池全回收的实际应用中,本次系统具有较好的可行性,为废旧锂电池回收的设计原则提供了有力借鉴,预计能引起能源领域与可持续发展领域的广泛关注。

  如今,随着能源转型及碳中和理念的深入人心,新能源汽车规模化生产与使用不断提质加速,锂电池作为新能源汽车的“心脏”也迎来爆发式增长。

  鉴于新能源汽车动力电池的平均常规使用的寿命约为 6-8 年,动力电池在未来将迎来大规模退役潮。据预测,至 2025 年全球动力电池回收市场规模将由 2021 年的 55 亿元迅速增长至 588 亿元,至 2030 年将增长至高达 3000 亿元。

  虽然锂离子电池在使用的过程中不会产生有毒有害的物质,但若无法对废弃后的锂离子电池进行正确、有效地处理,废旧锂电池中的电解液、重金属、塑料等物质会给环境带来重大的污染。

  同时,废弃锂电池也是宝贵的金属资源,其含有可观的锂、镍、钴、锰、铜、铝等金属元素。因此,不论是从环境保护还是从资源利用角度,都需要对废旧电池进行回收再生。

  目前,锂离子电池回收方法主要有火法回收、湿法回收和直接修复等。但对于磷酸铁锂电池而言,其在回收利用方面面临诸多挑战。

  首先,磷酸铁锂材料稳定性很高,难于通过火法、湿法等方法回收。其次,传统回收方式的工艺复杂、能耗较高,所得产物的纯度较低。

  此外,传统回收方式侧重于回收金属含量、以及经济效益高的正极材料,对于附加值较低的负极材料、隔膜、电池壳等部件不能全面兼顾,这非常容易导致新的环境问题。

  因此,需要从磷酸铁锂电池回收的全局出发,开发一种简单便捷的回收方式来实现回收产物的高值化。同时,对附加值较低的部件进行相对有效利用,从而拓展其用途。

  基于此,该团队开展了本次课题。他们都以为一个有意义的课题需要从社会生产的需求出发,聚焦于解决社会生产生活中的瓶颈问题,立足并发挥自身的优势特长,最终实现科技突破与实用化。

  由于该项目面向工业生产和社会生活的明显问题,因此在立项初期他们就设立了“立足锂电回收,设计新模式,开发前沿科技”的理念。

  同时,综合该实验室在锂离子电池、摩擦纳米发电机、自驱动系统、自驱动电化学的坚实基础,他们选择了“基于摩擦纳米发电机的自驱动废旧磷酸铁锂电池回收系统”这一课题。

  该团队的成员具有化学、材料、物理、电子、机械等多种背景,从事的研究课题也各有侧重。通过此,他们将本课题的思维导图清晰化,将研究目标从“电化学回收沉积”“自驱动电化学回收”进行不断升华,直到提炼出最终的研究目标:“基于摩擦纳米发电机的电化学全回收”。

  研究中,课题组从磷酸铁锂电池回收的全局出发,展示了磷酸铁锂电池在回收过程中各组分的回收及再利用,系统解决了磷酸铁锂电池的回收难题。

  即针对锂电池回收领域存在的产物纯度较低、工艺繁杂、能耗高、以及侧重正极材料回收却忽视其他材料的不足,他们通过开发新型电化学回收体系,对回收工艺进行简化,从而有效提升回收产物的纯度。并利用回收产物来重新制备磷酸铁锂正极材料,将其与废旧石墨负极重新组装全电池,实现了正负极材料的循环利用。

  同时,其还借助摩擦纳米发电机材料来源广泛的特性,利用废旧的电池壳、隔膜、集流体等部件设计摩擦纳米发电机,借助摩擦纳米发电机来收集环境中的机械能并将其转化为电能,从而为电化学回收装置供电,实现了自驱动废旧磷酸铁锂电池回收系统的构建。

  同时,由于化学试剂用量降低、工艺流程简化、以及采用自驱动系统模块设计方法,这让本次回收系统的产率得以提升,生产所带来的成本也得以降低。

  王杰表示:“由于本研究涉及大量的验证过程,因此每次在实验室开始试验,路过的研究室成员都会好奇地问东问西,比如这个瓶瓶罐罐是什么?为什么颜色会变黄?这个反应的原理是什么?大家都像好奇宝宝一样探索着未知。”而在做完一系列实验之后,他们开始撰写论文。

  不过,在锂电池回收上该团队依旧处于刚起步的阶段。随着研究的深入,他们发现还有很多细分研究方向。

  比如,对正极材料来说,虽然本次系统具备生成物纯度较高、操作简单便捷等优点,但能否在不区分材料种类的情况下一次性高效回收所有元素?这依然是一个待解之题。

  另外,对于电解液来讲,能否寻找一种合适的催化剂,通过简单的处理就能够将其降解成无害的物质?以及锂电池回收材料的出路到底在哪里?更加高值化利用的途径是什么?能不能不做成电池或做成其他功能材料?这些都是他们即将探索的问题。

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