从废弃到新生!中国科学家提出一步法电池回收工艺

近年来,为应对全球环境危机和减少碳排放,各国都在积极地推广新能源汽车。据统计,自2014年新能源汽车进入乘用车市场以来,新能源汽车的产销量不断增加。
截至2023年,中国新能源汽车的产销量已接近1000万辆,新能源汽车在中国汽车市场中的占有率已超过30%。值得关注的是,按照动力电池的平均使用寿命5-8年计算,中国早期推广的新能源汽车动力电池陆续进入“退役”期。
废旧电池如果处理不妥当,其含有的重金属和有害化学物质会对土壤和水资源造成严重污染,威胁整个生态系统的平衡与稳定。
预计到2030年,新能源汽车产生的废旧动力电池将超过300万吨,但是中国新能源汽车动力电池规范化回收率不足30%。因此,废旧动力电池的回收和处理成为业内关注的焦点。
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(图片来源:veer图库)
2024年5月14日,我国科学家在《自然可持续》(Nature Sustainability)杂志上发表了一篇关于退役动力电池可持续回收的文章,有望加快动力电池先进回收技术的推广和应用,推动电池回收行业商业化快速发展。
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研究成果发表于《自然可持续》杂志 (图片来源:《自然可持续》杂志)
在本研究中,作者利用浸出和共沉淀两个反应实现了锂电池正极材料中高值金属元素的提取和电极的再生。在浸出过程中,作者利用不同金属元素在乙酸中的溶解效率不同的特点,选择性地溶解出锂电池正极材料中的高值金属元素,包括锂、钴、镍和锰,再通过过滤得到清澈透明的渗滤液。
为最大限度地保留锂电池正极元素的高附加值,作者利用氨和氢氧化钠的混合溶液对浸出液进行共沉淀反应,以在连续搅拌罐反应器中制备球形前驱体。
其中,氨作为螯合剂可与浸出液中的过渡金属形成金属-氨络合物,防止共沉淀过程中的分相沉淀。在共沉淀过程中,除锂离子外,超过99.8%的高价值金属通过具有设计比例的镍、钴和锰的球形前驱体回收。最后经过高温锂化反应,获得了再生的R-NCM正极材料。
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高价值元素的提取 (a.金属溶解效率与浆料浓度的关系;b.不同类型的酸溶液对锂电池中金属的溶解效率对比;c.真空辅助过滤。) (图片来源:参考文献1)
实验结果表明,R-NCM再生正极材料表现出高可逆容量和高库伦效率(>99.7%)。在稳定性方面,该正极材料经过500次充放电循环后容量保持率为81.2%,优于商业NCM正极材料(容量保持率为50.1%),并且该再生正极材料保留了前体的球形结构,循环过程中微裂纹极小,相稳定性强。
与商用NCM正极材料相比,R-NCM可再生正极材料的生产和使用可有效降低全球变暖的潜势和化石资源稀缺性。在电池成本方面,R-NCM可再生正极材料的使用可将锂离子电池组和钠离子电池组的制造成本分别降低21.65美元每千瓦时和41.67美元每千瓦时。
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锂离子电池再生正极材料 (a.球形R-NCM粉末的SEM图像和元素分布图,镍(蓝色),钴(粉红色)和锰(绿色),标尺为1μm;b.二维的GIXRD图像;c.镍的K边界XANES光谱;d, e, f.电化学性能表征结果;g.商用NCM电极和R-NCM电极循环后的横截面FIB电镜图像,标尺为1μm;h.R-NCM电极的原位XRD图及对应的循环曲线;i.电极表面代表性物质的三维重建图。) (图片来源:参考文献1)
目前对于锂电回收再利用还有哪些做法?
锂电的回收再利用是指将退役锂电池通过化学、物理、生物等手段进行拆解,达到回收镍、钴、锰、锂等金属元素及其他可回收材料的目的。目前锂电池回收再利用的方法主要有湿法回收、火法回收和生物回收等。
湿法回收是指利用化学试剂对电极材料中的金属进行选择性的溶解,再分离浸出液体中的金属元素。该技术具有回收率高、产品纯度较高、能耗较低的优点,是目前应用范围最广的回收技术。
火法回收是指通过高温手段将废旧电池中的杂质去除,最终提取出含有金属及其化合物的细粉状材料。该技术操作工艺简单,效率比较高,适应于处理大量或者结构较为复杂的电池。
生物回收是指利用微生物等的代谢过程将废旧电池中的金属元素选择性浸出,实现提取高值金属元素的目的。该技术对环境友好,但是目前仍处于研发阶段,技术尚不成熟。
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图片来源:veer图库
锂电池环保回收对我们生活的影响?
环境保护
锂电池回收能够显著减少废旧电池对环境的污染。通过专业的回收处理,可以防止废旧电池中的有害物质,如重金属、有机溶剂等泄漏到环境中,保护土壤和水资源。
资源节约
锂电池回收可以实现对高价值和稀有材料的再利用。如回收的锂、镍、钴等金属元素经过精炼和提纯后,可以再次作为原材料用于生产新的电池,降低生产成本,节约资源。
此外,回收的电池芯片和电解液等也可以进行回收处理或再利用,进一步提高了资源利用效率。
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图片来源:veer图库
结语
新能源汽车作为环保出行的新选择,不仅为我们的出行方式带来了革命性的改变,更为环境保护作出了巨大的贡献。尽管废旧电池的回收技术可以在一定程度上缓解废旧电池对环境的污染,但还是提倡我们在日常生活中养成良好的用车习惯,延长电池的使用寿命,减少废旧电池的产生,为地球环境贡献一份绿色力量。
参考文献:
Yang, T., Luo, D., Zhang, X. et al. Sustainable regeneration of spent cathodes for lithium-ion and post-lithium-ion batteries. Nat Sustain, 2024.
何宏恺,王粤威,陈朝方,等.废旧动力锂电池回收利用技术的进展[J].广州化学, 2014, 39(4):6.
李想,范佳玥,朱欣益.浅析我国动力锂电池回收体系构建[J].产业创新研究, 2023(19):11-13.
4. Ferrara C , Ruffo R , Quartarone E ,et al.Circular Economy and the Fate of Lithium Batteries: Second Life and Recycling[J].Advanced Energy and Sustainability Research, 2021.
出品:科普中国
作者:石畅(物理化学博士)
监制:中国科普博览
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