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的需求

鋰離子電池幾乎是每輛電動汽車、筆記本電腦和智能手機的核心，在面對氣候緊急情況時，它們對儲存可再生能源至關重要。但是，目前世界上所有的采礦業都無法提取足夠的鋰和其他關鍵礦物來滿足對這些電池的飛速增長的需求。建立新的礦場是一項昂貴的、長達數年的努力。而且采礦還造成了一系列環境問題--例如耗盡當地的水資源和用徑流碎片污染附近地區--這些都導致了對新礦的抗議。

所有這些都意味著回收現有電池的能力對于可持續地改變全球能源系統至關重要。但是回收鋰離子電池只是在最近才有了商業上的進展。電池制造商一直猶豫不決，因為他們擔心回收的產品可能比那些由新開采的礦物制成的產品質量低，可能導致電池壽命縮短或電池內部損壞。后果可能很嚴重，特別是在電動汽車這樣的應用中。

但是發表在《焦耳》上的新研究發現了專家們所描述的一種更優雅的回收方法，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，是提供適當電壓的關鍵。研究人員發現，他們用新的陰極回收技術制造的電池與那些使用從頭開始制造的陰極的電池性能一樣好。事實上，使用回收陰極的電池壽命更長，充電更快。美國陸軍研究實驗室的電化學家Kang Xu說，該團隊的方法和成功示范是 "非常獨特和非常令人印象深刻的"，他沒有參與這項研究。

不再是笑話

美國伍斯特理工學院（Worcester Polytechnic Institute）的材料科學教授，這項新研究的共同作者Yan Wang（音譯：王彥）在11年前開始研究電池回收。他說：“當時，有些人跟我開玩笑說沒有足夠的電池供你回收。”如今看來，這個笑話并沒有過時了。美國能源部估計電池市場在未來十年可能會增長10倍。為了緩解市場增長的壓力，能源部車輛技術辦公室主任Dave Howell說："鋰電池的回收--讓這種材料回到供應鏈中--至關重要。"因此，美國能源部資助了這項新的研究，作為其在美國促進大規模電池回收創新的大規模努力的一部分。

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。

當鋰離子電池供電時，鋰離子簇從一個結晶“籠”（陽極）移動到另一個（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電池，然后將其全部熔化或溶解在酸中。結果是一團黑色物質——其質地可以從粉末到粘液不等——可以從中回收化學元素或簡單的化合物。然后，這些回收的產品可以通過與新開采的元素制造陰極相同的商業制造過程。

王彥和他的同事們使用了一個非常類似的過程--但他們的技術不是將電池完全分解成其組成的化學元素，而是將舊陰極的一些關鍵成分保持不變。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。接下來，他們小心翼翼地添加一些構成陰極的新鮮元素，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區別。再經過幾個步驟，結果是有效地刷新了陰極粉末，由微小的結晶顆粒組成，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，以達到電池的特定電壓，其結構或成分的輕微變化會影響其性能。因此，陰極粉末的大部分價值在于 "你首先是如何設計這些顆粒（粉末）的"，英國英格蘭伯明翰大學能源材料教授Emma Kendrick說，他沒有參與這項新研究。如果像目前的回收方法那樣，整個電池被簡單地熔化或一次性溶解，那么這種價值就會喪失。

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制造的陰極粉（主要由新開采的礦物制成）中的顆粒。他們發現，回收的粉末顆粒多孔性更強，每個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，當鋰離子擠入其中時，陰極晶體可以略微膨脹，而這種擺動空間使晶體不會像從頭開始制造的陰極那樣容易開裂。隨著時間的推移，這種裂紋是導致電池退化的一個主要原因。

更多的孔隙也意味著更多暴露的表面區域，在那里可以發生為電池充電所必需的化學反應--這就是為什么Wang的回收電池比其商業制造的同類電池充電更快。王說，未來的目標可能是將所有陰極設計成具有這種優越的結構，而不僅僅是那些由回收材料制成的陰極。

美國阿貢國家實驗室的運輸分析員和ReCell中心的首席科學家Linda Gaines說："他們能夠制造的陰極與我們一直在進口的商業材料一樣好，甚至更好。(Gaines沒有參與這項新的研究。）這種進口主要來自中國，中國在電池回收方面處于世界領先地位。但是，這種情況意味著材料必須在全球范圍內洗牌才能被回收，增加了回收電池的碳足跡，削弱了其作為更可持續發展道路的誘惑力。“

王彥的團隊開發的方法削減了很大一部分國際貿易和運輸要求，為其他國家加強國內電池回收開辟了一條潛在的道路。目前，Ascend Elements公司（前身為Battery Resourcers公司）正在擴大該流程的規模，該公司是王彥創辦的電池回收公司。