来源:“学习强国”学习平台 中国科学报社 发布时间:2024/4/30 7:28:20
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科学家回信|康飞宇:锂电池回收技术处于快速发展阶段

 

编者按:2023年5月起,“学习强国”学习平台与中国科学报社联合发起“科学家回信”活动,邀请广大读者向自己心中向往尊敬的科学家、科技工作者提问、留言。活动启动后,“学习强国”“科学网App”收到了读者的踊跃留言。我们精选了读者王炳韧的提问,请长期从事储能用碳材料和先进电池研究的清华大学教授康飞宇发出第五十三期回信。

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读者王炳韧:废弃锂电池如何处理?

康飞宇:随着便携式电子设备、电动车和新能源存储的快速发展,高性能锂离子电池自2010年以来得到了广泛应用。预计到2030年,全球对锂离子电池的需求将达到3000吉瓦时。然而,锂离子电池的服役寿命一般为8~10年,这意味着未来每年都会产生数以千万吨计的废旧锂离子电池。

回收废旧锂离子电池在节约资源、保护环境和经济方面具有重要的意义。首先,全球用于制造这些电池的关键材料如锂、钴、镍等资源非常稀缺,且价格昂贵,会影响新能源行业的稳定发展。其次,废旧电池含有大量有害成分,如重金属、可燃液体、含氟化合物、碳材料和难降解塑料,不当弃置会带来安全风险和严重环境污染。最后,这些退役的电池中很多材料还可以再次利用,不仅可以节约再制造过程的能源使用,还减少了环境压力,并具有显著经济价值。

废旧锂离子电池的回收包括三个部分,电池二次利用、电池材料分离和回收材料的进一步处理。首先,筛选出状况较好的电池可以再次用于对安全性要求较低的场合,比如,电动自行车和家用储能系统。对于无法进行二次利用的电池,通过一系列操作,如放电、粉碎和分离来提取各种材料。分离出的材料的处理方法主要取决于材料本身,其中大部分工作聚焦于价值较高的正极材料的处理,包括升级改造、修复、元素提取;负极石墨材料的处理方式包括修复、转化为碳材料。

目前,锂离子电池的回收技术处于快速发展阶段。在2020年以前,研究主要集中在如何高效回收废旧锂离子电池中的贵重金属。这些技术已在工业界得到了广泛应用,回收率接近最高(编者注:回收废旧锂离子电池中的贵重金属的回收率并非100%,但通过采用合适的回收技术和工艺,可以最大程度地回收废旧锂离子电池中的贵重金属)。未来需要进一步降低能源和化学品的消耗。

自2020年起,伴随国家政策的支持,研究人员开始探索如何修复和改进失效的电池正负极材料,以提升其电化学性能,以便再利用。同时,还有研究将回收材料改进,制成适用于新一代高效电池的材料。这些修复和升级改造技术的关键在于如何获得高纯度材料。

我们团队采用的是一种电池逆向制造的回收技术,自动化地把废旧电池拆成极片和其他材料。我们遵循“金字塔模式”来逐级回收电池所有部分,确保所得组件和材料纯度高,便于再利用。2023年,我们将拆解的电池正极、隔膜、负极直接修复后,生产出来的新电池容量可以恢复至接近理论值(编者注:电池的理论值指的是电池在全新、未使用且完全健康状态下所能达到的最大容量。拆解的电池正极、隔膜、负极经过修复后生产出的新电池容量时,如果提到其容量可以恢复至接近理论值,意味着经过修复的电池在容量上几乎可以达到与新电池相当的水平,修复过程非常成功,能够有效地恢复电池的性能)。这种修复法相比于传统元素提取工艺,经济效益提高了33%,能耗降低了48%,碳排放减少了62%。目前,我们正专注于如何设计易回收电池并且对废电池反复修复,从而最大程度延长电池生命周期。

要打造一个更绿色和可持续的新能源产业,电池回收工作需要做好以下五个方面:1.建立电池护照体系,规范退役电池的回收流程;2.通过政策鼓励,促使企业和研究人员关注电池再利用的每个阶段,确保从电池修复到元素提取的关键部分都合理规划;3.制定涵盖电池回收全流程的标准,推动标准化,以便行业快速进步;4.支持成立第三方电池回收和评估机构,专业化和标准化的技术评估将有助于突破技术壁垒;5.激励电池制造商采用易回收设计理念,制造高性能且易于回收的电池产品。

 

 
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