目前主流的鋰電池回收法有哪些局限性？如何提高電池回收效率？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-24 02:42
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鋰電池因其高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命，被廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車中。鋰電池的使用壽命大概為5-10年，而未來五年的鋰電池產(chǎn)量預(yù)計(jì)將達(dá)到每年幾百GWh。這意味著，在未來幾十年中大量的廢棄鋰電池將會(huì)產(chǎn)生，使得鋰電池的回收迫在眉睫。
[目前鋰電池回收方法的局限性]
目前的鋰電池回收的主流方法為火法冶金和濕法冶金法。然而，火法冶金需要極高溫度的燒結(jié)和復(fù)雜的提純過程，濕法冶金需要腐蝕性酸液將金屬元素溶出后逐步沉淀。這兩種方法不僅耗能大，步驟復(fù)雜，而且會(huì)造成環(huán)境污染。更重要的是，火法冶金和濕法冶金法都完全破壞了正極材料的顆粒結(jié)構(gòu)，而完全舍棄了材料顆粒中儲(chǔ)存的大量?jī)r(jià)值（通過控制并優(yōu)化各種參數(shù)才合成出的具有理想性能的正極材料）。
[更高效的方法：直接再生法]
直接再生法摒棄了火法冶金和濕法冶金中完全破壞顆粒的方法，而是通過物理方法將正極材料從廢棄電池中分離出來，然后對(duì)衰減后的正極材料進(jìn)行處理。經(jīng)處理再生后的正極材料可具有高容量，高倍率性能和穩(wěn)定的循環(huán)性能，使其可直接被用于新的電池。加州大學(xué)圣地亞哥分校的陳政教授課題組此前成功研發(fā)了用水熱法再生正極材料的方法。水熱再生法雖然可以完全恢復(fù)正極材料的原始電化學(xué)性能，但是高壓的條件在實(shí)際生產(chǎn)中并不容易滿足。近日，他們?cè)谥苯釉偕龢O材料方向再次取得突破，成功實(shí)現(xiàn)用低溫共晶熔融鹽法再生三元正極材料。該方法不但可以在常壓下進(jìn)行，而且可以使衰減后再生的材料達(dá)到其原始的電化學(xué)性能。他們還與加州大學(xué)圣地亞哥分校的孟穎教授課題組進(jìn)行合作，通過TEM/EELS等表征手段首次發(fā)現(xiàn)：衰減的三元層狀材料表面因相變產(chǎn)生的巖鹽相（rocksalt）可以在再生過程中被轉(zhuǎn)變回層狀（layered）結(jié)構(gòu)。該成果Ambient-PressureRelithiationofDegradedLixNi0.5Co0.2Mn0.3O2(0<x<1)viaEutecticSolutionsforDirectRegenerationofLithium-IonBatteryCathodes發(fā)表于能源材料領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊AdvancedEnergyMaterials(影響因子21.875)，第一作者為石楊博士。該方法仍保留材料的原始顆粒結(jié)構(gòu)，通過熔融的鋰鹽為衰減的材料補(bǔ)充鋰，并伴以短暫的燒結(jié)過程將材料的組分和晶體結(jié)構(gòu)都恢復(fù)至原始狀態(tài)，展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。
[全文要點(diǎn)解析]
三元鎳鈷錳酸鋰（NCM）正極材料的衰減機(jī)理：
導(dǎo)致正極材料衰減的最主要原因有兩點(diǎn)。一、鋰的流失：本身存在于正極材料中的鋰隨著電池的循環(huán)，不能完全回到正極（可由SEI的形成增厚或其它原因?qū)е拢?，?dǎo)致電池容量降低；二、表面相變：與電解液接觸的材料表面更易發(fā)生相變，由原始的層狀結(jié)構(gòu)（layered）轉(zhuǎn)變?yōu)榧饩啵╯pinel）和巖鹽相（rocksalt），這兩種結(jié)構(gòu)具有較低的鋰離子傳導(dǎo)率，使極化增大，容量衰減。
該方法以LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)為例，從這兩個(gè)主要原因入手，先為材料補(bǔ)鋰，再經(jīng)過燒結(jié)達(dá)到理想的相結(jié)構(gòu)。
[目前鋰電池回收方法的局限性]
目前的鋰電池回收的主流方法為火法冶金和濕法冶金法。然而，火法冶金需要極高溫度的燒結(jié)和復(fù)雜的提純過程，濕法冶金需要腐蝕性酸液將金屬元素溶出后逐步沉淀。這兩種方法不僅耗能大，步驟復(fù)雜，而且會(huì)造成環(huán)境污染。更重要的是，火法冶金和濕法冶金法都完全破壞了正極材料的顆粒結(jié)構(gòu)，而完全舍棄了材料顆粒中儲(chǔ)存的大量?jī)r(jià)值（通過控制并優(yōu)化各種參數(shù)才合成出的具有理想性能的正極材料）。
[更高效的方法：直接再生法]
直接再生法摒棄了火法冶金和濕法冶金中完全破壞顆粒的方法，而是通過物理方法將正極材料從廢棄電池中分離出來，然后對(duì)衰減后的正極材料進(jìn)行處理。經(jīng)處理再生后的正極材料可具有高容量，高倍率性能和穩(wěn)定的循環(huán)性能，使其可直接被用于新的電池。加州大學(xué)圣地亞哥分校的陳政教授課題組此前成功研發(fā)了用水熱法再生正極材料的方法。水熱再生法雖然可以完全恢復(fù)正極材料的原始電化學(xué)性能，但是高壓的條件在實(shí)際生產(chǎn)中并不容易滿足。近日，他們?cè)谥苯釉偕龢O材料方向再次取得突破，成功實(shí)現(xiàn)用低溫共晶熔融鹽法再生三元正極材料。該方法不但可以在常壓下進(jìn)行，而且可以使衰減后再生的材料達(dá)到其原始的電化學(xué)性能。他們還與加州大學(xué)圣地亞哥分校的孟穎教授課題組進(jìn)行合作，通過TEM/EELS等表征手段首次發(fā)現(xiàn)：衰減的三元層狀材料表面因相變產(chǎn)生的巖鹽相（rocksalt）可以在再生過程中被轉(zhuǎn)變回層狀（layered）結(jié)構(gòu)。該成果Ambient-PressureRelithiationofDegradedLixNi0.5Co0.2Mn0.3O2(0<x<1)viaEutecticSolutionsforDirectRegenerationofLithium-IonBatteryCathodes發(fā)表于能源材料領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊AdvancedEnergyMaterials(影響因子21.875)，第一作者為石楊博士。該方法仍保留材料的原始顆粒結(jié)構(gòu)，通過熔融的鋰鹽為衰減的材料補(bǔ)充鋰，并伴以短暫的燒結(jié)過程將材料的組分和晶體結(jié)構(gòu)都恢復(fù)至原始狀態(tài)，展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。
[全文要點(diǎn)解析]
三元鎳鈷錳酸鋰（NCM）正極材料的衰減機(jī)理：
導(dǎo)致正極材料衰減的最主要原因有兩點(diǎn)。一、鋰的流失：本身存在于正極材料中的鋰隨著電池的循環(huán)，不能完全回到正極（可由SEI的形成增厚或其它原因?qū)е拢?，?dǎo)致電池容量降低；二、表面相變：與電解液接觸的材料表面更易發(fā)生相變，由原始的層狀結(jié)構(gòu)（layered）轉(zhuǎn)變?yōu)榧饩啵╯pinel）和巖鹽相（rocksalt），這兩種結(jié)構(gòu)具有較低的鋰離子傳導(dǎo)率，使極化增大，容量衰減。
該方法以LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)為例，從這兩個(gè)主要原因入手，先為材料補(bǔ)鋰，再經(jīng)過燒結(jié)達(dá)到理想的相結(jié)構(gòu)。
