“雙循環(huán)”讓退役鋰電池有了新出路

2023-11-27  瀏覽量:1232


 日前,中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、王杰研究員團隊基于摩擦納米發(fā)電機的自驅(qū)動原理,構建出一套廢舊鋰電池回收系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)可生成能直接利用的高純度碳酸鋰、磷酸鐵。在多項前沿技術加持下,該系統(tǒng)以摩擦納米發(fā)電機供電回收廢舊鋰電池,并將部分回收材料用于制造摩擦納米發(fā)電機,構建了材料和能量的“雙循環(huán)”。

 

“這是整合了‘新型高效電化學回收體系’‘摩擦納米發(fā)電技術’和‘回收產(chǎn)物再利用技術’等前沿技術的自驅(qū)動磷酸鐵鋰回收系統(tǒng)?!蓖踅芨嬖V《中國科學報》,“與傳統(tǒng)回收技術相比,該回收系統(tǒng)在環(huán)保和經(jīng)濟效益方面優(yōu)勢明顯?!?/span>

 

鋰電池將迎來“退役潮”

 

當前,低碳發(fā)展的理念深入人心。新能源汽車、儲能等產(chǎn)業(yè)得到長足發(fā)展,鋰電池是主要動力或儲能設備。鋰電池平均使用壽命為68年,我們即將迎來大規(guī)模的鋰電池“退役潮”。

 

據(jù)中國汽車工程學會預測,我國退役動力電池2023年將達到104萬噸,到2030年將達350萬噸。同時,動力電池所用的鋰、鈷、鎳資源稀缺程度加劇,隨著全球電動化戰(zhàn)略轉型的加速,資源短缺問題日益突出。

 

“如果不能正確、有效處理廢棄鋰電池,電解液、重金屬、塑料等物質(zhì)會給環(huán)境帶來巨大壓力?!蓖踅苷f,同時,廢舊鋰電池中有可觀的鋰、鎳、鈷、錳、銅、鋁等金屬元素,是寶貴的資源。不論從環(huán)境保護還是從資源利用的角度看,都需要回收利用廢舊電池。

 

但鋰電池回收問題重重。一是傳統(tǒng)回收方式工藝復雜,高能耗、高排放,還會帶來二次污染。二是回收所得產(chǎn)物純度較低,多次提純會抬高成本。

 

目前,主流新能源汽車采用三元聚合物鋰電池(俗稱三元鋰電池)或磷酸鐵鋰電池。前者能量密度高、續(xù)航里程長,后者安全性能更好。其中三元鋰電池因含有貴金屬原材料,人們對其回收意愿較強,對該領域回收技術研究較多。而約占市場保有量六成的磷酸鐵鋰電池原料相對便宜,回收產(chǎn)物價值不高、回收工藝復雜,沒有人愿意回收。因此,亟須開發(fā)一種簡單、便捷、環(huán)保又高效的回收方式。

 

王中林、王杰團隊開發(fā)的回收系統(tǒng)采用電化學法氧化食鹽水,利用生成的次氯酸進行氧化還原,實現(xiàn)磷酸鐵鋰正極材料的回收。這能降低化學試劑的用量及種類,將濕法回收的10個步驟減少為4個,在簡化工藝流程的同時節(jié)能環(huán)保、降低成本。

 

“按照現(xiàn)行工業(yè)標準,反應物磷碳酸鋰和磷酸鐵純度達到99.5%就可以直接利用。”王杰說,“我們這種方法回收產(chǎn)物的純度分別達99.70%99.75%,可以省去高能耗、高排放的提純步驟,能直接利用。”

 

“跑題”討論引來“雙循環(huán)”研究

 

“一個有意義的課題需要從社會需求出發(fā),聚焦于解決生產(chǎn)生活中的瓶頸問題?!蓖踅苷f,“該項目立足自身優(yōu)勢,綜合實驗室在鋰離子電池、摩擦納米發(fā)電機、自驅(qū)動系統(tǒng)、自驅(qū)動電化學方面的積累,通過多項前沿技術疊加,最終獲得突破并實用化?!?/span>

 

其研究思路的緣起,來自團隊3年前一次頭腦風暴時話題“跑偏”的討論和此后將多項前沿技術疊加創(chuàng)新的嘗試。

 

王中林帶領團隊長期從事摩擦納米發(fā)電機相關研究。制造摩擦納米發(fā)電機的材料廣泛,為了降低成本,他們曾研究過用廢舊回收材料制造摩擦納米發(fā)電機。

 

“一開始,為了尋找替代材料,我們嘗試過多種回收物品,比如用牛奶包裝盒上的鋁塑膜、可樂罐的鋁材等作為摩擦納米發(fā)電機的原料?!蓖踅苷f。

 

在一次頭腦風暴中,團隊成員張寶峰提出廢舊鋰電池中有很多可回收金屬和有機薄膜,能用作摩擦納米發(fā)電機原料。接下來的討論就有點“跑偏”,大家七嘴八舌一陣討論后,形成的共識竟是——鋰電池回收可能會成為一個有很大需求的領域。

 

王杰曾進行過能源存儲技術研究,后來到北京納米能源與系統(tǒng)研究所跟隨王中林研究摩擦納米發(fā)電機,并利用納米發(fā)電機收集環(huán)境能量給各種移動傳感器、可穿戴設備供電。但環(huán)境能量總會遇到不穩(wěn)定因素,需要用鋰電池進行儲能“緩沖”。該團隊中專門研究鋰電池的博士和博士后對鋰電池的深入了解,讓他們相信自己的判斷。此后對回收鋰電池行業(yè)的調(diào)研也證實了上述想法。

 

進一步的分析中,團隊認為電化學回收是一個不錯的回收方式,但缺點是耗電量較大。

 

“我們就是搞發(fā)電的,所以當時就想把電池技術、摩擦納米發(fā)電技術和電化學回收技術疊加起來,看能不能找出結合點,把這套回收系統(tǒng)做出來?!蓖踅苷f。

 

技術沉淀和拓展

 

團隊成員具有化學、材料、物理、電子、機械等多學科背景。

 

一開始,團隊分析認為,構建這個“雙循環(huán)”的基礎是電化學回收過程中正極材料的選擇。因為反應過程要氧化還原磷酸鐵鋰。電場雖然是非常好的“還原劑”,但磷酸鐵鋰不溶于水,直接電化學反應無從談起。

 

“我們和電場打交道很多,對電化學比較了解,堅信沒有電場氧化/還原不了的東西。如果不能直接氧化還原,就需要找到一個‘中間體’?!蓖踅芙忉屨f,“如果能找到一種溶劑作為‘中間體’,形成另外一種液態(tài)氧化劑,再去氧化還原磷酸鐵鋰,就能讓反應順利進行。”

 

經(jīng)過數(shù)月的篩選和實驗,團隊發(fā)現(xiàn)次氯酸可以達到上述要求,而次氯酸又可以通過氯化鈉溶液在電場中產(chǎn)生。磷酸鐵鋰粉末被次氯酸包覆,然后進行反應。但次氯酸沒有顏色,無法直觀判斷,研究人員又去尋找指示劑。經(jīng)過一番實驗調(diào)試,他們最終將碘化鉀溶液作為指示劑,完美解決了這一問題。

 

反應能進行下去了,團隊又發(fā)現(xiàn)了新問題。為了實現(xiàn)盡可能多地回收磷酸鐵鋰,實驗中要有足夠多的電量。但團隊以前的研究專注于“單位面積的輸出”,為滿足電化學反應需要,他們重新研制了一臺直徑約30厘米的旋轉式摩擦納米發(fā)電機,并通過優(yōu)化輸出和降壓增流措施,滿足了實驗需要。

 

在此基礎上,團隊通過技術沉淀和拓展,將相關技術應用在三元鋰電池回收上。目前,該團隊已經(jīng)在實驗室完成了廢舊三元鋰電池的回收。

 

“目前,該項技術還處于起步階段,有很多地方需要進一步完善。我們的目標是進一步做深、做細電化學回收,將其拓展成通用技術,用這種模式回收其他鋰電池?!蓖踅苎a充說,“我們計劃完成更多鋰電池材料,包括封裝材料、電解液等的回收利用。這樣,鋰電池用完后就能完全無害地回收利用?!?/span>這對ups電源暨新能源儲能行業(yè)的儲能鋰電池回收利用提供了又一新的渠道方法。

 

 


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