突破性研究使回收锂离子电池更经济

锂离子电池生命周期


直接回收是回收锂离子电池的能耗最少的方法。信用:瑞塞尔中心

我们如何使电池回收具有成本效益?ReCell中心的科学家朝着这个目标又迈进了一步。

锂离子电池是我们现在和未来技术的引擎。它们为智能手机、笔记本电脑等便携式电子产品和越来越受欢迎的电动汽车(ev)供电。但是锂离子电池使用的增加,尤其是在汽车上,已经超过了回收它们的技术。现在,科学家们在刚中心,全国第一个先进电池回收研发中心,总部在美国能源部(DOE)阿贡国家实验室,做出了一个关键发现删除的一个最大障碍的障碍使回收的锂离子电池具有经济可行性。

目前使用的回收工艺可以回收对电池制造商来说价值较低的金属。一个巨大的问题正在逼近:研究人员预计,在不到十年的时间里,每年将有200万吨报废的电动汽车锂离子电池被淘汰。报废电动汽车电池的数量目前很低,但随着老旧车型的使用寿命即将结束,电池数量将大幅上升——而目前的回收基础设施还没有准备好迎接这些电池的涌入。

“如果电池行业打算购买可回收的阴极材料用于新电池,他们不会牺牲纯度。——Jessica Durham, Argonne的材料科学家和这项研究的合著者

密歇根理工大学(MTU)的研究人员是ReCell团队的一员,他们开发了一种创新的方法来分离构成电池正电荷电极的有价值的材料。

阿贡材料工程研究中心的科学家们正在扩大MTU的创新分离过程,为大规模回收电动汽车电池铺平道路。由于电动汽车电池的正极材料根据汽车制造商和生产年份的不同而有所不同,回收商必须采用金属锂氧化物——锂钴氧化物、锂镍锰钴氧化物、锂镍钴铝氧化物、锂铁磷酸盐等的混合物并将每一种材料分开,以便这些材料可以重复使用。曾经不可能完成的任务突然变得可行了。

直接回收和再利用电池正极材料

电池正极材料的直接回收和再利用结束了这一循环。信用:瑞塞尔中心

在同行评议的科学杂志上发表的一篇新论文中能源技术MTU和ReCell的研究人员详细介绍了他们的发现:一种在被称为泡沫浮选的旧流程上使用新方法分离单个阴极材料的方法。

泡沫浮选是矿业行业多年来用于矿石分离提纯的一种浮选方法,在浮选池中根据物料是否拒水浮或吸水沉来进行物料分离。通常阴极材料会下沉,这使得它们很难彼此分离。锂镍锰钴氧化物(NMC111)和锂锰氧化物(LMO)就是如此,这是ReCell团队在实验中使用的两种常见的电动汽车电池正极材料。研究人员发现,通过引入一种化学物质,使阴极材料NMC111漂浮,使其排斥水,就可以实现分离。

一旦阴极材料被分离,研究人员通过测试确定,这个过程对材料的电化学性能的影响可以忽略不计。两者的纯度都很高(95%以上)。

“这是非常重要的,”阿贡大学的材料科学家、该研究的合著者杰西卡·达勒姆(Jessica Durham)说,“因为如果电池行业打算购买回收的阴极材料在新电池中重复使用,他们不会牺牲纯度。”

这项研究与ReCell中心的使命紧密相关,该中心的使命是推进低能耗的处理方法,并捕获有价值的材料进行直接回收——直接回收、再生和再使用电池组件,而不破坏化学结构。该中心是由阿贡、能源部的国家可再生能源实验室、橡树岭国家实验室、密歇根理工大学、加州大学圣地亚哥分校和伍斯特理工学院合作建立的。

ReCell的发现有望产生广泛的影响,比如降低锂离子电池的回收成本;刺激利润丰厚的废旧锂离子电池回收市场的增长;降低电动汽车生产商和消费者的成本;使美国能够在全球电池回收行业中竞争;通过增加国内回收电池材料的使用,加强美国的能源独立性;减少美国对国外原材料来源的依赖。

但就目前而言,ReCell中心的团队正专注于逐步创造一个在经济上可行的完整的锂离子电池回收过程。只有这样,它才会被广泛采用。

杜伦说:“无论用什么方法进行回收,回收者必须能够从中获利。”“我们正在整合这些步骤,知道最终整个过程必须是盈利的。”

参考文献:“泡沫浮选直接回收混合正极材料”,Tinu-Ololade Folayan, Albert L. Lipson, Jessica L. Durham, Haruka Pinegar, Donghao Liu, Lei Pan, 2021年7月29日,能源技术
DOI: 10.1002 / ente.202100468

阿尔贡大学的其他研究合著者包括首席材料科学家Albert Lipson和博士后研究员Haruka Pinegar。

这项研究和ReCell中心是由美国能源部能源效率和可再生能源办公室、汽车技术办公室资助的。

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