比亚迪刀片锂电池

一种回收此类电池的新方法可以帮助满足飞速增长的需求

锂离子电池几乎是每辆电动汽车、笔记本电脑和智能手机的核心，在面对气候紧急情况时，它们对储存可再生能源至关重要。但是，目前世界上所有的采矿业都无法提取足够的锂和其他关键矿物来满足对这些电池的飞速增长的需求。建立新的矿场是一项昂贵的、长达数年的努力。而且采矿还造成了一系列环境问题--例如耗尽当地的水资源和用径流碎片污染附近地区--这些都导致了对新矿的抗议。

所有这些都意味着回收现有电池的能力对于可持续地改变全球能源系统至关重要。但是回收锂离子电池只是在最近才有了商业上的进展。电池制造商一直犹豫不决，因为他们担心回收的产品可能比那些由新开采的矿物制成的产品质量低，可能导致电池寿命缩短或电池内部损坏。后果可能很严重，特别是在电动汽车这样的应用中。

但是发表在《焦耳》上的新研究发现了专家们所描述的一种更优雅的回收方法，它可以翻新阴极--这种精心制作的晶体是锂离子电池最昂贵的部件，是提供适当电压的关键。研究人员发现，他们用新的阴极回收技术制造的电池与那些使用从头开始制造的阴极的电池性能一样好。事实上，使用回收阴极的电池寿命更长，充电更快。美国陆军研究实验室的电化学家Kang Xu说，该团队的方法和成功示范是 "非常独特和非常令人印象深刻的"，他没有参与这项研究。

不再是笑话

美国伍斯特理工学院（Worcester Polytechnic Institute）的材料科学教授，这项新研究的共同作者Yan Wang（音译：王彦）在11年前开始研究电池回收。他说：“当时，有些人跟我开玩笑说没有足够的电池供你回收。”如今看来，这个笑话并没有过时了。美国能源部估计电池市场在未来十年可能会增长10倍。为了缓解市场增长的压力，能源部车辆技术办公室主任Dave Howell说："锂电池的回收--让这种材料回到供应链中--至关重要。"因此，美国能源部资助了这项新的研究，作为其在美国促进大规模电池回收创新的大规模努力的一部分。

用 X 射线显微镜拍摄的回收阴极颗粒 (A) 和由新材料制成的颗粒 (B) 的横截面。比例尺在 (A) 中为 10 微米，在 (B) 中为 5 微米。

当锂离子电池供电时，锂离子簇从一个结晶“笼”（阳极）移动到另一个（阴极）。目前用于回收这些电池的最常用方法包括拆卸和切碎整个电池，然后将其全部熔化或溶解在酸中。结果是一团黑色物质——其质地可以从粉末到粘液不等——可以从中回收化学元素或简单的化合物。然后，这些回收的产品可以通过与新开采的元素制造阴极相同的商业制造过程。

王彦和他的同事们使用了一个非常类似的过程--但他们的技术不是将电池完全分解成其组成的化学元素，而是将旧阴极的一些关键成分保持不变。在他们切碎电池后，他们用物理方法去除不太昂贵的部分（如电子电路和钢制电池外壳），并单独回收它们。剩下的主要是阴极材料；他们将其溶解在酸中，然后去除杂质。接下来，他们小心翼翼地添加一些构成阴极的新鲜元素，如镍和钴，以确保成分的比例恰到好处--这是与普通回收方法的另一个区别。再经过几个步骤，结果是有效地刷新了阴极粉末，由微小的结晶颗粒组成，可以粘在金属条上，并放置在 "新 "电池中。

由于阴极是由贵重矿物的精确混合制成的，以达到电池的特定电压，其结构或成分的轻微变化会影响其性能。因此，阴极粉末的大部分价值在于 "你首先是如何设计这些颗粒（粉末）的"，英国英格兰伯明翰大学能源材料教授Emma Kendrick说，他没有参与这项新研究。如果像目前的回收方法那样，整个电池被简单地熔化或一次性溶解，那么这种价值就会丧失。

更多的孔隙，更快的充电

王彦和他的同事比较了他们回收的阴极粉中的颗粒和商业制造的阴极粉（主要由新开采的矿物制成）中的颗粒。他们发现，回收的粉末颗粒多孔性更强，每个颗粒的中心有特别大的空隙。这些特性为阴极晶体提供了空间，当锂离子挤入其中时，阴极晶体可以略微膨胀，而这种摆动空间使晶体不会像从头开始制造的阴极那样容易开裂。随着时间的推移，这种裂纹是导致电池退化的一个主要原因。

更多的孔隙也意味着更多暴露的表面区域，在那里可以发生为电池充电所必需的化学反应--这就是为什么Wang的回收电池比其商业制造的同类电池充电更快。王说，未来的目标可能是将所有阴极设计成具有这种优越的结构，而不仅仅是那些由回收材料制成的阴极。

美国阿贡国家实验室的运输分析员和ReCell中心的首席科学家Linda Gaines说："他们能够制造的阴极与我们一直在进口的商业材料一样好，甚至更好。(Gaines没有参与这项新的研究。）这种进口主要来自中国，中国在电池回收方面处于世界领先地位。但是，这种情况意味着材料必须在全球范围内洗牌才能被回收，增加了回收电池的碳足迹，削弱了其作为更可持续发展道路的诱惑力。“

王彦的团队开发的方法削减了很大一部分国际贸易和运输要求，为其他国家加强国内电池回收开辟了一条潜在的道路。目前，Ascend Elements公司（前身为Battery Resourcers公司）正在扩大该流程的规模，该公司是王彦创办的电池回收公司。