【工作簡介】
隨著鋰離子
電池(LIBs)的廣泛應(yīng)用及對其需求的快速增長,每年都會產(chǎn)生大量的廢舊鋰離子
電池,對供應(yīng)鏈和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴重影響。因此,LIBs回收對于維持未來的供應(yīng)鏈完整和減少環(huán)境污染至關(guān)重要。然而,工業(yè)水平的回收受到各種因素的阻礙,使實現(xiàn)大規(guī);厥盏耐瑫r很難保持經(jīng)濟可行性。
針對上述挑戰(zhàn),美國伍斯特理工學(xué)院Yan Wang教授撰文討論了解決方案,旨在為未來的研究工作提供指導(dǎo)。相關(guān)文章以“Li-ion Battery Recycling Challenges”為題發(fā)表在國際頂級期刊“Chem”上。
【內(nèi)容詳情】
1. 鋰離子電池回收為何如此重要?
1)電動汽車全球化帶來的供應(yīng)鏈資源緊缺
為了減少溫室氣體排放和緩解全球變暖問題,世界各國紛紛推廣電動汽車,頒布了全面汽車電氣化的目標及政策,眾多車企也積極響應(yīng)號召,大力研發(fā)電動汽車。隨著電動汽車產(chǎn)量的迅猛增長,對電池相關(guān)原材料如鎳、鈷、錳、鋰和石墨等的需求也隨之增加。然而,即使在目前的需求水平上,滿足全球供應(yīng)鏈的預(yù)期需求也需要很長的交付周期。因此,預(yù)計未來將會出現(xiàn)嚴重的原料短缺,特別是對鋰和鈷元素來說。
2)大量廢舊電池帶來的環(huán)境問題
與此同時,由于消費類電子產(chǎn)品LIBs的平均壽命為1-3年,電動汽車或儲能系統(tǒng)LIBs的平均壽命為8-10年,到2023年將產(chǎn)生約20萬噸消費類廢舊LIBs和88萬噸電力類廢舊LIBs。如果使用過的LIBs不能得到充分處理,那么大量的使用過的LIBs將造成嚴重的環(huán)境問題,特別是處理不當(dāng)時會向環(huán)境中釋放Co、Ni、Mn和HF等有毒重金屬和氣體,大量的廢舊LIBs堆積加上不當(dāng)?shù)奶幚硪矔斐蓢乐氐幕馂?zāi)和爆炸危險。
3)廢舊電池也是一種具有經(jīng)濟效益的資源
廢舊鋰離子電池的內(nèi)部材料都是電池級的,它們可以重新用于新電池的生產(chǎn)。因此,回收使用過的鋰離子電池可以為新電池的制造提供二次材料來源。此外,使用回收的正極材料可以節(jié)省鋰電池總成本的20%以上,而且從廢舊鋰電池中回收正極材料之外的組件還可以實現(xiàn)更高的經(jīng)濟效益。
由此可見,LIBs回收在緩解當(dāng)前和未來供應(yīng)鏈擔(dān)憂、防止可能的污染和環(huán)境危害、產(chǎn)生可持續(xù)的經(jīng)濟效益方面可以發(fā)揮關(guān)鍵作用,下文中,作者分類討論了目前LIBs回收面臨的技術(shù)和商業(yè)化挑戰(zhàn)(圖1)。
圖1、鋰離子電池回收面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)及商業(yè)化挑戰(zhàn)。
2. 技術(shù)挑戰(zhàn)
作者總結(jié)了近年來國內(nèi)外關(guān)于鋰離子電池回收的基礎(chǔ)研究和工業(yè)實踐進展,包括火法、濕法和直接回收方法等。目前還沒有一種理想的LIBs回收技術(shù),仍然存在許多挑戰(zhàn)和障礙等待解決。與此同時,商業(yè)化LIBs也在不斷發(fā)展:為了實現(xiàn)更高的能量密度、更長的航程和更高的安全性,在新材料研發(fā)和電池結(jié)構(gòu)設(shè)計改進上進行了大量的工作,這固然推動著電池的快速發(fā)展,但也使得回收更加具有挑戰(zhàn)性。
2.1電池結(jié)構(gòu)設(shè)計
商業(yè)化LIBs通常主要有三種電池外殼:圓柱形、棱柱形和軟包電池,這三種不同類型的LIB進一步形成不同的模塊和組件。此外,為了提高實際情況下電動汽車的空間利用率,制造商還熱衷于開發(fā)和整合新的電池結(jié)構(gòu),這使得回收時,拆卸和預(yù)處理過程中存在一定的困難。
盡管火法冶金工藝對預(yù)處理的要求較低,可以忽略電池結(jié)構(gòu)設(shè)計更新帶來的問題。然而,這一方法只能回收正極材料和集流體,經(jīng)濟效益低。為了降低回收成本,需要進一步發(fā)展拆卸和預(yù)處理技術(shù)。與此同時,未來的電池設(shè)計應(yīng)考慮后續(xù)的拆卸和分離處理,以促進廢舊電池的回收利用。
2.2電池材料研發(fā)
目前,商業(yè)化鋰離子電池正極材料主要有層狀氧化物、尖晶石型氧化物和聚陰離子氧化物等,除了單獨使用外,制造商還嘗試將兩種或多種正極材料混合使用,以獲得理想的性能。因此,回收過程必須考慮如何處理具有不同化學(xué)成分的混合正極材料,并將這些材料轉(zhuǎn)化為對當(dāng)前電池有用的配方。
負極材料也同樣在不斷發(fā)展,從石墨到硅基材料,最后的目標則是鋰金屬負極。石墨是目前鋰離子電池負極材料的首選,但由于其附加值低,很少進行回收利用。然而,隨著大量廢舊鋰離子電池的產(chǎn)生,研究人員應(yīng)該開始考慮研發(fā)專門針對正極材料的回收技術(shù)。幸運的是,石墨和硅基負極材料是相對惰性的,這意味著它們可以很容易地被提取出來。然而,恢復(fù)其原始結(jié)構(gòu)和性能仍然是一個挑戰(zhàn),因為這些材料的循環(huán)過后存在一定的結(jié)構(gòu)損傷。
2.3全固態(tài)電池和鋰金屬電池
與現(xiàn)有的鋰離子電池相比,全固態(tài)電池因其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和性能穩(wěn)定性、更低的成本和更高的能量密度,在未來有望被大規(guī)模應(yīng)用。然而,全固態(tài)電池的回收方法幾乎不存在,其主要的挑戰(zhàn)是分離過程,必須實現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)與其他電池組件,以及可能的混合原料的分離。同時,雖然鋰金屬作為負極提供了較高的能量密度,但由于其反應(yīng)活性高,存在嚴重的安全隱患。因此,制造商需要在全固態(tài)電池設(shè)計和材料選擇時,考慮其對回收過程的影響。
3. 商業(yè)化挑戰(zhàn)
3.1規(guī)模升級
規(guī)模升級有兩個含義,其一是從學(xué)術(shù)研究到最初的工業(yè)應(yīng)用和商業(yè)化的路徑。雖然學(xué)術(shù)研究人員總是有創(chuàng)新的想法,但系統(tǒng)通常是小規(guī)模和簡化的。相比之下,工業(yè)環(huán)境是大規(guī)模和復(fù)雜的,使得在經(jīng)濟上具有足夠的吞吐量。因此,學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界之間的信息不匹配會限制回收技術(shù)的發(fā)展。
其二,是指工業(yè)規(guī)模,需要具有超出中試規(guī)模工廠的回收數(shù)量。目前只有不到5%的廢棄LIBs得到回收利用,而LIB回收水平必須在規(guī)模上遠遠超過試驗工廠,使得其水平與已用的LIBs數(shù)量相當(dāng),才會有一定的資本和經(jīng)濟可行性。導(dǎo)致回收率低的主要原因是LIBs的多樣性、復(fù)雜性、缺乏監(jiān)管和非標準化,給分類、拆卸和預(yù)處理等回收過程帶來阻礙,降低了回收的利潤,使其在經(jīng)濟上不可行。此外,還有一系列非技術(shù)方面的挑戰(zhàn),如大規(guī)模收集、運輸和儲存廢舊LIBs等物流方面問題。
3.2經(jīng)濟效益
商業(yè)電池回收的利潤依賴于回收鋰離子電池中有價值的正極材料。然而,鈷作為正極中最有價值的元素,在新的正極材料化學(xué)中被有意地減少,從而使傳統(tǒng)的鋰離子的回收利用的經(jīng)濟挑戰(zhàn)性更高。因此,對現(xiàn)有回收技術(shù)進行優(yōu)化或改進以提高利潤,保持經(jīng)濟可行性是必要的,因此,也需要大量的研究來降低成本和發(fā)展更合理的商業(yè)模式,如更優(yōu)異的拆卸技術(shù)、分類和分離方法,通用化的回收流程等。
3.3電池材料需求及其測試
如何說服大型電池制造商在生產(chǎn)線上使用回收材料也是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的,必須要保證可回收材料的性能可以達到或超過原始材料。因此,典型的實驗室測試遠不能說服工業(yè)制造商采用回收材料。因此,除了扣式電池和單層軟包電池外,還需要對其他構(gòu)造的電池進行可靠的測試。此外,在工業(yè)水平上與最先進的原始材料進行橫向比較是必要的,以提供有競爭力的基準,并減輕對利用回收材料的擔(dān)憂。因此,鼓勵大學(xué)或?qū)嶒炇遗c工業(yè)界合作,以了解和滿足工業(yè)要求。
【結(jié)論】
廢舊鋰離子電池回收對于維持未來的供應(yīng)鏈和緩解環(huán)境污染至關(guān)重要。由于鋰離子電池技術(shù)是動態(tài)的,在規(guī)劃回收時,了解鋰離子電池的發(fā)展趨勢是非常必要的,它可以指導(dǎo)未來回收工藝的研究方向。此外,學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界之間的合作是必要的,這種合作有助于學(xué)術(shù)界了解工業(yè)界對回收技術(shù)和材料性能的實際需求。有了更好的基礎(chǔ),工業(yè)合作伙伴可以將學(xué)術(shù)想法轉(zhuǎn)化為實際的回收技術(shù)和產(chǎn)品。作者認為,可持續(xù)的循環(huán)再造過程將會在當(dāng)前和未來所有類型的鋰離子電池中得以實現(xiàn)。
(責(zé)任編輯:子蕊)