科学家开发锂离子电池回收新工艺既经济又环保

一种将废旧阴极恢复到崭新状态的新工艺可以使锂离子电池回收变得更加经济。该工艺由加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师开发,比今天的方法更环保;它使用更绿色的原料,消耗的能源减少80-90%,排放的温室气体减少约75%。

研究人员在11月12日发表在《Joule》杂志上的一篇论文中详细介绍了他们的工作。

科学家开发锂离子电池回收新工艺既经济又环保

该工艺在磷酸铁锂或LFP制成的阴极上效果特别好。使用LFP阴极制成的电池比其他锂离子电池成本更低,因为它们不使用钴或镍等昂贵的金属。LFP电池的寿命也更长,更安全。它们被广泛用于电动工具、电动巴士和能源网。它们也是特斯拉Model 3的首选电池。

“鉴于这些优势,LFP电池将在市场上比其他锂离子电池具有竞争优势,”加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授郑晨说。

问题是什么?”回收它们并不划算,”Chen说。”这和塑料的困境一样–材料很便宜,但回收它们的方法却不便宜。”

Chen和他的团队开发的新回收工艺可以降低这些成本。它在低温(60到80摄氏度)和环境压力下完成工作,使得它比其他方法更节能。此外,它所使用的化学物质–锂盐、氮气、水和柠檬酸–都是廉价且无害的。

“整个再生过程是在非常安全的条件下工作的,所以我们不需要任何特殊的安全防护措施或特殊设备。这也是为什么我们能让这个电池的回收成本如此之低的原因。”第一作者、Chen实验室的博士后研究员Panpan Xu说。

研究人员首先对商用LFP电池进行循环,直到它们失去一半的储能能力。他们将电池拆开,收集阴极粉末,并将它们浸泡在含有锂盐和柠檬酸的溶液中。然后他们用水清洗溶液,烘干粉末并加热它们。

研究人员用这些粉末制作了新的阴极,并在硬币电池和小袋电池中进行了测试。它们的电化学性能、化学组成和结构都完全恢复到了原来的状态。

随着电池的循环,阴极会发生两个主要的结构变化,这是导致其性能下降的原因。第一个是锂离子的流失,在阴极结构中产生了称为空缺的空位。另一种是铁离子和锂离子在晶体结构中切换位置时发生的。当这种情况发生时,它们不能轻易地切换回来,因此锂离子被困住,不能再在电池中循环。

这个过程通过补充锂离子来恢复阴极的结构,并使铁离子和锂离子容易切换回原来的位置。后者是通过使用柠檬酸来完成的,柠檬酸作为一种还原剂–一种向另一个物质提供电子的物质。柠檬酸将电子转移到铁离子上,使它们的正电荷降低。这样可以最大限度地减少电子排斥力,使铁离子无法回到晶体结构中的原始位置,同时也将锂离子释放回循环中。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

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虽然这种回收过程的整体能源成本较低,但研究人员表示,还需要进一步研究收集、运输和处理大量电池的物流问题。

“弄清楚如何优化这些物流是下一个挑战,”Chen说。”而这将使这种回收过程更接近于行业应用。”

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