日前，中國科學(xué)院北京納米能源與系統研究所王中林院士、王杰研究員團隊基于摩擦納米發(fā)電機的自驅動(dòng)原理，構建出一套廢舊鋰電池回收系統。利用該系統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(shù)加持下，該系統以摩擦納米發(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(xué)回收體系’‘摩擦納米發(fā)電技術(shù)’和‘回收產(chǎn)物再利用技術(shù)’等前沿技術(shù)的自驅動(dòng)磷酸鐵鋰回收系統?！蓖踅芨嬖V《中國科學(xué)報》，“與傳統回收技術(shù)相比，該回收系統在環(huán)保和經(jīng)濟效益方面優(yōu)勢明顯?！?/span>

鋰電池將迎來(lái)“退役潮”

當前，低碳發(fā)展的理念深入人心。新能源汽車(chē)、儲能等產(chǎn)業(yè)得到長(cháng)足發(fā)展，鋰電池是主要動(dòng)力或儲能設備。鋰電池平均使用壽命為6至8年，我們即將迎來(lái)大規模的鋰電池“退役潮”。

據中國汽車(chē)工程學(xué)會(huì )預測，我國退役動(dòng)力電池2023年將達到104萬(wàn)噸，到2030年將達350萬(wàn)噸。同時(shí)，動(dòng)力電池所用的鋰、鈷、鎳資源稀缺程度加劇，隨著(zhù)全球電動(dòng)化戰略轉型的加速，資源短缺問(wèn)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(huì )給環(huán)境帶來(lái)巨大壓力?！蓖踅苷f(shuō)，同時(shí)，廢舊鋰電池中有可觀(guān)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(wèn)題重重。一是傳統回收方式工藝復雜，高能耗、高排放，還會(huì )帶來(lái)二次污染。二是回收所得產(chǎn)物純度較低，多次提純會(huì )抬高成本。

目前，主流新能源汽車(chē)采用三元聚合物鋰電池(俗稱(chēng)三元鋰電池)或磷酸鐵鋰電池。前者能量密度高、續航里程長(cháng)，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(lǐng)域回收技術(shù)研究較多。而約占市場(chǎng)保有量六成的磷酸鐵鋰電池原料相對便宜，回收產(chǎn)物價(jià)值不高、回收工藝復雜，沒(méi)有人愿意回收。因此，亟須開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)單、便捷、環(huán)保又高效的回收方式。

王中林、王杰團隊開(kāi)發(fā)的回收系統采用電化學(xué)法氧化食鹽水，利用生成的次氯酸進(jìn)行氧化還原，實(shí)現磷酸鐵鋰正極材料的回收。這能降低化學(xué)試劑的用量及種類(lèi)，將濕法回收的10個(gè)步驟減少為4個(gè)，在簡(jiǎn)化工藝流程的同時(shí)節能環(huán)保、降低成本。

“按照現行工業(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?！蓖踅苷f(shuō)，“我們這種方法回收產(chǎn)物的純度分別達99.70%和99.75%，可以省去高能耗、高排放的提純步驟，能直接利用?！?/span>

“跑題”討論引來(lái)“雙循環(huán)”研究

“一個(gè)有意義的課題需要從社會(huì )需求出發(fā)，聚焦于解決生產(chǎn)生活中的瓶頸問(wèn)題?！蓖踅苷f(shuō)，“該項目立足自身優(yōu)勢，綜合實(shí)驗室在鋰離子電池、摩擦納米發(fā)電機、自驅動(dòng)系統、自驅動(dòng)電化學(xué)方面的積累，通過(guò)多項前沿技術(shù)疊加，最終獲得突破并實(shí)用化?！?/span>

其研究思路的緣起，來(lái)自團隊3年前一次頭腦風(fēng)暴時(shí)話(huà)題“跑偏”的討論和此后將多項前沿技術(shù)疊加創(chuàng )新的嘗試。

王中林帶領(lǐng)團隊長(cháng)期從事摩擦納米發(fā)電機相關(guān)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(guò)用廢舊回收材料制造摩擦納米發(fā)電機。

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

在一次頭腦風(fēng)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(lái)的討論就有點(diǎn)“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(huì )成為一個(gè)有很大需求的領(lǐng)域。

王杰曾進(jìn)行過(guò)能源存儲技術(shù)研究，后來(lái)到北京納米能源與系統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(dòng)傳感器、可穿戴設備供電。但環(huán)境能量總會(huì )遇到不穩定因素，需要用鋰電池進(jìn)行儲能“緩沖”。該團隊中專(zhuān)門(mén)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)的調研也證實(shí)了上述想法。

進(jìn)一步的分析中，團隊認為電化學(xué)回收是一個(gè)不錯的回收方式，但缺點(diǎn)是耗電量較大。

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

技術(shù)沉淀和拓展

團隊成員具有化學(xué)、材料、物理、電子、機械等多學(xué)科背景。

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

“我們和電場(chǎng)打交道很多，對電化學(xué)比較了解，堅信沒(méi)有電場(chǎng)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(gè)‘中間體’?！蓖踅芙忉屨f(shuō)，“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(jìn)行?！?/span>

經(jīng)過(guò)數月的篩選和實(shí)驗，團隊發(fā)現次氯酸可以達到上述要求，而次氯酸又可以通過(guò)氯化鈉溶液在電場(chǎng)中產(chǎn)生。磷酸鐵鋰粉末被次氯酸包覆，然后進(jìn)行反應。但次氯酸沒(méi)有顏色，無(wú)法直觀(guān)判斷，研究人員又去尋找指示劑。經(jīng)過(guò)一番實(shí)驗調試，他們最終將碘化鉀溶液作為指示劑，完美解決了這一問(wèn)題。

反應能進(jìn)行下去了，團隊又發(fā)現了新問(wèn)題。為了實(shí)現盡可能多地回收磷酸鐵鋰，實(shí)驗中要有足夠多的電量。但團隊以前的研究專(zhuān)注于“單位面積的輸出”，為滿(mǎn)足電化學(xué)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(guò)優(yōu)化輸出和降壓增流措施，滿(mǎn)足了實(shí)驗需要。

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

“目前，該項技術(shù)還處于起步階段，有很多地方需要進(jìn)一步完善。我們的目標是進(jìn)一步做深、做細電化學(xué)回收，將其拓展成通用技術(shù)，用這種模式回收其他鋰電池?！蓖踅苎a充說(shuō)，“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(wú)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。