消耗能量减少80%至90% 科学家开发可降低磷酸铁锂电池回收成本新技术

2020年11月20日 9:11 1829次浏览 来源:   分类:

导读:   据外媒报道,现在的锂电池大多使用一种名为钴的稀有和昂贵的金属作为阴极成分的一部分,但开采这种材料需要付出巨大的环境代价。其中一种更环保的替代品被称为磷酸锂离子,而一项新的突破可以进一步提高这种阴极材料的环保性能,一旦用完就可以恢复到原来的状态,而使用的能量只是目前方法的一小部分。

据外媒报道,现在的锂电池大多使用一种名为钴的稀有和昂贵的金属作为阴极成分的一部分,但开采这种材料需要付出巨大的环境代价。其中一种更环保的替代品被称为磷酸锂离子,而一项新的突破可以进一步提高这种阴极材料的环保性能,一旦用完就可以恢复到原来的状态,而使用的能量只是目前方法的一小部分。

这项研究由加州大学圣迭戈分校的纳米工程师进行,主要研究磷酸铁锂制成的阴极电池的回收技术。通过摒弃镍和钴等重金属,这些类型的电池可以帮助避免这些材料开采地的景观和水源的退化,以及工人暴露在危险条件下。

人们对钴相关问题的认识不断提高,推动了行业的转变,许多人都在寻找替代电池设计,包括IBM和特斯拉这样的大公司,他们今年开始销售采用磷酸铁锂电池的Model 3。这些电池更安全、寿命更长、生产成本更低,不过有一个不足之处是,一旦用完,回收成本很高。

“回收它们并不划算,”加州大学圣迭戈分校的纳米工程教授郑晨说。“这和塑料的困境是一样的--材料很便宜,但回收它们的方法却不便宜。”

回收突破的重点是磷酸铁锂电池性能退化背后的几个机制。当它们被循环使用时,这个过程会推动结构变化,随着锂离子的流失,阴极中产生了空位,同时铁和锂离子也会在晶体结构中交换位置。这就会夹带锂离子,防止它们在电池中循环。

该团队将市售的磷酸铁锂电池单元,并将其耗尽到一半的存储容量。然后,他们将电池拆解,并将所得粉末浸泡在含有锂盐和柠檬酸的溶液中,然后将其冲洗干净,晾干,再在约60至80℃的温度下加热。然后将这种粉末制成新的阴极,并在纽扣电池和小袋电池中进行测试,研究小组发现其性能恢复到初始状态。

这是因为这种回收技术不仅补充了电池的锂离子存量,而且使锂离子和铁离子重新回到阴极结构中的原始位置。这要归功于柠檬酸的加入,它给铁离子提供了电子,减少了通常排斥铁离子移动到原来位置的正电荷。这一切的结果是,锂离子可以被释放出来,再次在电池中循环。

根据该团队的研究,其技术与目前回收磷酸锂离子电池的方法相比,消耗的能量减少了80%至90%,排放的温室气体也减少了约75%。虽然这是一个很好的开始,但该团队表示,还需要进一步研究,以确定收集和运输大量这些电池的整体环境足迹。

“弄清楚如何优化这些流程是下一个挑战,”郑晨说。“而这将使这种回收过程更接近于行业采用。”

该研究发表在《Joule》杂志上。

责任编辑:周大伟

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