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(zhǎng)的需求

鋰離子電池幾乎是每輛電動(dòng)汽車、筆記本電腦和智能手機(jī)的核心，在面對(duì)氣候緊急情況時(shí)，它們對(duì)儲(chǔ)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(wú)法提取足夠的鋰和其他關(guān)鍵礦物來(lái)滿足對(duì)這些電池的飛速增長(zhǎng)的需求。建立新的礦場(chǎng)是一項(xiàng)昂貴的、長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的努力。而且采礦還造成了一系列環(huán)境問(wèn)題--例如耗盡當(dāng)?shù)氐乃Y源和用徑流碎片污染附近地區(qū)--這些都導(dǎo)致了對(duì)新礦的抗議。

所有這些都意味著回收現(xiàn)有電池的能力對(duì)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(jìn)展。電池制造商一直猶豫不決，因?yàn)樗麄儞?dān)心回收的產(chǎn)品可能比那些由新開(kāi)采的礦物制成的產(chǎn)品質(zhì)量低，可能導(dǎo)致電池壽命縮短或電池內(nèi)部損壞。后果可能很嚴(yán)重，特別是在電動(dòng)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(dāng)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(kāi)始制造的陰極的電池性能一樣好。事實(shí)上，使用回收陰極的電池壽命更長(zhǎng)，充電更快。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的電化學(xué)家Kang Xu說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)的方法和成功示范是 "非常獨(dú)特和非常令人印象深刻的"，他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。

不再是笑話

美國(guó)伍斯特理工學(xué)院（Worcester Polytechnic Institute）的材料科學(xué)教授，這項(xiàng)新研究的共同作者Yan Wang（音譯：王彥）在11年前開(kāi)始研究電池回收。他說(shuō)：“當(dāng)時(shí)，有些人跟我開(kāi)玩笑說(shuō)沒(méi)有足夠的電池供你回收?！比缃窨磥?lái)，這個(gè)笑話并沒(méi)有過(guò)時(shí)了。美國(guó)能源部估計(jì)電池市場(chǎng)在未來(lái)十年可能會(huì)增長(zhǎng)10倍。為了緩解市場(chǎng)增長(zhǎng)的壓力，能源部車輛技術(shù)辦公室主任Dave Howell說(shuō)："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(guó)能源部資助了這項(xiàng)新的研究，作為其在美國(guó)促進(jìn)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(dāng)鋰離子電池供電時(shí)，鋰離子簇從一個(gè)結(jié)晶“籠”（陽(yáng)極）移動(dòng)到另一個(gè)（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(gè)電池，然后將其全部熔化或溶解在酸中。結(jié)果是一團(tuán)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(xué)元素或簡(jiǎn)單的化合物。然后，這些回收的產(chǎn)品可以通過(guò)與新開(kāi)采的元素制造陰極相同的商業(yè)制造過(guò)程。

王彥和他的同事們使用了一個(gè)非常類似的過(guò)程--但他們的技術(shù)不是將電池完全分解成其組成的化學(xué)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(dú)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(lái)，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(gè)區(qū)別。再經(jīng)過(guò)幾個(gè)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(dá)到電池的特定電壓，其結(jié)構(gòu)或成分的輕微變化會(huì)影響其性能。因此，陰極粉末的大部分價(jià)值在于 "你首先是如何設(shè)計(jì)這些顆粒（粉末）的"，英國(guó)英格蘭伯明翰大學(xué)能源材料教授Emma Kendrick說(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)新研究。如果像目前的回收方法那樣，整個(gè)電池被簡(jiǎn)單地熔化或一次性溶解，那么這種價(jià)值就會(huì)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(kāi)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(qiáng)，每個(gè)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(dāng)鋰離子擠入其中時(shí)，陰極晶體可以略微膨脹，而這種擺動(dòng)空間使晶體不會(huì)像從頭開(kāi)始制造的陰極那樣容易開(kāi)裂。隨著時(shí)間的推移，這種裂紋是導(dǎo)致電池退化的一個(gè)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(xué)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(shuō)，未來(lái)的目標(biāo)可能是將所有陰極設(shè)計(jì)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(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)輸分析員和ReCell中心的首席科學(xué)家Linda Gaines說(shuō)："他們能夠制造的陰極與我們一直在進(jìn)口的商業(yè)材料一樣好，甚至更好。(Gaines沒(méi)有參與這項(xiàng)新的研究。）這種進(jìn)口主要來(lái)自中國(guó)，中國(guó)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(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的方法削減了很大一部分國(guó)際貿(mào)易和運(yùn)輸要求，為其他國(guó)家加強(qiáng)國(guó)內(nèi)電池回收開(kāi)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(kuò)大該流程的規(guī)模，該公司是王彥創(chuàng)辦的電池回收公司。