Joule ｜解决锂电池回收难，这里有一种成本更低、更清洁的方法

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锂电池回收面临的一个难题，就是材料本身成本低廉，而回收过程成本不低。一项新技术希望通过进一步降低成本和使用环境友好成分，促进锂电池的回收利用。

用过的 LFP 电极回收前（左）和处理后（右）的扫描电镜照片。图片来源：Panpan Xu
一种让用过的阴极材料恢复至初始状态的新型处理技术能够进一步节省锂离子电池的回收成本。该技术由加利福尼亚大学圣迭戈分校（University of California San Diego）的纳米工程师们研发，比如今使用的方法更加环境友好。它使用更加环保的成分，耗能减少了 80% 至 90%，同时温室气体的排放量也降低了75%。
在11月12日发表在《焦耳》（Joule）上的论文中，研究人员详细介绍了这项研究成果。
对于由磷酸铁锂（简称 LFP）制成的阴极，该处理技术效果尤为理想。LFP阴极电池比其他锂离子电池成本更低，因为它们不使用贵金属材料，比如钴或者镍。LFP电池的使用寿命也更长久，更安全。它们广泛用于电动工具、电动公交车和电网。特斯拉Model 3也选择了LFP电池。
“鉴于上述优点，LFP电池将比市场上其他锂离子电池更具竞争优势。”UC圣迭戈分校的纳米工程学教授Zheng Chen讲道。
那存在什么问题吗？“这种电池的回收成本效益不高。”Chen说，“它处在和塑料一样的两难境地——材料本身很廉价，但回收再利用的方法可不便宜。”
Chen及其团队所研发的新型回收处理技术能够降低这些成本。该技术能在低温（60至80摄氏度）和环境压力下工作，因而比其他方法耗电更少。此外，它使用的化学物质，比如锂盐、氮、水和柠檬酸，都很便宜且性质温和。
该研究的第一作者，在Chen实验室担任博士后研究员的Panpan Xu说：“再利用处理的整个过程在非常安全的条件下进行，所以我们无需任何特殊的安全预防措施或特殊设备。这也就是我们电池回收成本低的原因。”
首先，研究人员重复循环使用LFP电池，直到电池失去一半的储能容量。随后，他们把电池拆解开，收集其中的阴极粉末，将其浸泡在含有锂盐和柠檬酸的溶液中。接下来，他们用水洗干净溶液，等粉末干透后再加热。
研究人员用这些粉末制成新的阴极，在钮扣电池（coin cell）和软包电池（pouch cell）中都进行了检测。它们的电化学性能、化学组成和结构都完全恢复至初始状态。
随着电池不断地循环使用，阴极会经历两个重要的结构变化，导致其性能下降。首先是锂离子的丧失，这会在阴极结构中形成空腔。其次，当晶体结构中的铁离子和锂离子交换位置时，会发生另一种结构变化。这种变化一旦发生，离子的位置就无法再轻易切换回来，所以锂离子就会被困住，再也无法在电池内循环。
本研究提出的处理方法首先补充锂离子，让铁离子和锂离子易于切换回原始位点，从而恢复阴极结构。第二步操作通过使用柠檬酸而实现，柠檬酸作为还原剂发挥作用，可向另一物质提供电子。它将电子转移至铁离子，减少其携带的正电荷。这样可以最大程度地降低电子排斥力，防止铁离子移动回晶体结构中的原始位点，同时将锂离子释放回循环中。
虽然这套回收处理技术的总能耗更低，但研究人员表示，仍需展开进一步的研究，了解收集、运输和处理大量电池等后勤问题。
“下一个挑战就是搞清楚如何优化这些后勤过程。”Chen说，“这将让我们的回收技术向着产业应用更近一步。”

来源链接：

https://eurekalert.org/pub_releases/2020-11/uoc--efm110520.php 
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论文信息


【标题】Efficient Direct Recycling of Lithium-Ion Battery Cathodes by Targeted Healing

【作者】Panpan Xu, Qiang Dai, Hongpeng Gao, Linda Gaines, Jun Lu, Zheng Chen, et al.

【时间】2020 年 11 月 12 日

【期刊】Joule

【编号】10.1016/j.joule.2020.10.008

【链接】

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120304979 

【摘要】Recycling of spent lithium-ion batteries (LIBs) is an urgent need to address their environmental and global sustainability issues. Here, we report an efficient and environmentally benign LIB regeneration method based on defect-targeted healing, which represents a paradigm-shift LIB recycling strategy. Specifically, by combining low-temperature aqueous solution relithiation and rapid post-annealing, we demonstrate successful direct regeneration of spent LiFePO4 (LFP) cathodes, one of the most important materials for EVs and grid storage applications. We show revitalization of composition, structure, and electrochemical performance of LFP with various degradation conditions to the same levels as the pristine LFP. Life-cycle analysis of different LIB recycling processes shows that this defect-targeted direct reycling approach can significantly reduce energy usage and greenhouse gas (GHG) emissions, leading to more economic and environmental benefits compared with today’s hydrometallurgical and pyrometallurgical methods.

文章来源：加利福尼亚大学圣迭戈分校、科研圈

IEEE Spectrum

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