如何破解鋰電池安全、成本以及回收難題？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-09-03 22:05
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目前，市場上的大電池技術還是由小電池技術發(fā)展而來，制造費用偏“貴”。因為沒有考慮到在線維護以及回收處理的問題，整個全產業(yè)鏈的成本都比較高昂，電池的使用壽命也受到限制，伴隨系統(tǒng)安全問題，造成整個產業(yè)發(fā)展的不可持續(xù)。
如何破解這些“骨感”的難題?“應該發(fā)展兼具低成本、長壽命、高安全、易回收的新型電池技術。”劉昊說。
讓電解質“剛柔并濟”
鋰電池最重要的安全隱患來自于電解液，目前選擇的液態(tài)有機電解液易燃易爆。董衫木表示，用固態(tài)電解質代替液態(tài)電解液，是業(yè)內公認的提升鋰電池安全性能最為有效的選擇。
“目前固態(tài)電池采用的固態(tài)電解質普遍存在性能短板，距離高性能鋰離子電池系統(tǒng)的要求仍有不小的距離。此外，‘固固接觸界面’的失效行為以及背后的失效機理也亟待闡明。”董衫木認為，構建高性能固態(tài)電池需要從兩個方面入手：構建高性能的固態(tài)電解質、提高界面的兼容性和穩(wěn)定性。
從基礎設計處突破
鋰漿料電池技術的概念由中國科學院電工研究所儲能技術研究組在2015年的一項專利中正式提出。鋰漿料電池是指電池的全部或部分電極是由漿料態(tài)的儲鋰活性物質、導電劑和電解液構成。鋰漿料電池具有超厚漿料電極和可維護再生兩大顯著技術特征。
“目前鋰離子電池采用的連接方式，其厚度一般是100~200微米，如果提升厚度會造成電極片嚴重皸裂、使用過程中電極材料脫落、電池容量下降，以及循環(huán)性能衰減。”劉昊表示。
鋰漿料本身具有一個動態(tài)的接觸導電網(wǎng)絡，不存在脫落風險，電極厚度可以達到毫米級，是普通鋰離子電池的10~50倍，因此鋰漿料電池可能更適合于提供大容量的儲能電率輸出。鋰漿料電池做了一些結構上的設計，結合漿料電極的特性，十分便于補液、換液以及換漿操作。
做好原材料回收
“如果從鋰電池全生命周期來觀察，降低電池材料成本需要從原材料入手進行研發(fā)。”北京理工大學教授李麗表示，“原材料回收可以在一定程度上降低電池領域或者其他材料領域對于全國原礦的壓力。”
目前，電池回收技術主要包括預處理過程、活法和濕法等方面。近年來，很多企業(yè)和研究院對預處理環(huán)節(jié)越來越重視。李麗介紹道，拆解和破碎過程主要釋放電解液的揮發(fā)物。此外，前期的密度篩分會對后期各種金屬的浸出率產生直接的影響。
李麗表示，鋰電池活法回收技術中一項重要工作是分析磷酸鐵鋰的失效機制，“我們希望對每種材料，最好是采用不同的方式，就像病人看病一樣對癥下藥。磷酸鐵鋰結構非常穩(wěn)定，鋰的位置在充過電以后會出現(xiàn)缺失，所以，經(jīng)過元素分析可以看到在失效或上千次循環(huán)以后的磷酸鐵鋰材料功能”。
“磷酸鐵以及鐵的氧化物等材料導致磷酸鐵性能容量直接下降?；谶@種失效機制，在后期材料的混合物中進行‘補鋰’，可以補碳酸鹽形式，或者氫氧化鋁形式，進行高溫煅燒，材料性能就會有一定的恢復。”李麗說。
此外，傳統(tǒng)濕法技術主要是用酸的混合液對材料金屬元素從固相到液相進行分離，多為正極材料，負極和電解液的回收在過去幾十年為人們所忽視。
“可能因為負極石墨很便宜，所以大家覺得不值得補充。”李麗表達了自己的看法，“目前來講，我們希望對不同的部件進行全方位再生和資源化。負極材料回收以后可以生成石墨烯材料，而在電池領域或其他領域，石墨烯高導電性的吸引力是非常大的。”
電解液的回收也有技術可行性。采用二氧化碳的連接萃取方式，使電解液重新進行匹配以后，其電導率可以達到目前商業(yè)化的要求。
如何破解這些“骨感”的難題?“應該發(fā)展兼具低成本、長壽命、高安全、易回收的新型電池技術。”劉昊說。
讓電解質“剛柔并濟”
鋰電池最重要的安全隱患來自于電解液，目前選擇的液態(tài)有機電解液易燃易爆。董衫木表示，用固態(tài)電解質代替液態(tài)電解液，是業(yè)內公認的提升鋰電池安全性能最為有效的選擇。
“目前固態(tài)電池采用的固態(tài)電解質普遍存在性能短板，距離高性能鋰離子電池系統(tǒng)的要求仍有不小的距離。此外，‘固固接觸界面’的失效行為以及背后的失效機理也亟待闡明。”董衫木認為，構建高性能固態(tài)電池需要從兩個方面入手：構建高性能的固態(tài)電解質、提高界面的兼容性和穩(wěn)定性。
從基礎設計處突破
鋰漿料電池技術的概念由中國科學院電工研究所儲能技術研究組在2015年的一項專利中正式提出。鋰漿料電池是指電池的全部或部分電極是由漿料態(tài)的儲鋰活性物質、導電劑和電解液構成。鋰漿料電池具有超厚漿料電極和可維護再生兩大顯著技術特征。
“目前鋰離子電池采用的連接方式，其厚度一般是100~200微米，如果提升厚度會造成電極片嚴重皸裂、使用過程中電極材料脫落、電池容量下降，以及循環(huán)性能衰減。”劉昊表示。
鋰漿料本身具有一個動態(tài)的接觸導電網(wǎng)絡，不存在脫落風險，電極厚度可以達到毫米級，是普通鋰離子電池的10~50倍，因此鋰漿料電池可能更適合于提供大容量的儲能電率輸出。鋰漿料電池做了一些結構上的設計，結合漿料電極的特性，十分便于補液、換液以及換漿操作。
做好原材料回收
“如果從鋰電池全生命周期來觀察，降低電池材料成本需要從原材料入手進行研發(fā)。”北京理工大學教授李麗表示，“原材料回收可以在一定程度上降低電池領域或者其他材料領域對于全國原礦的壓力。”
目前，電池回收技術主要包括預處理過程、活法和濕法等方面。近年來，很多企業(yè)和研究院對預處理環(huán)節(jié)越來越重視。李麗介紹道，拆解和破碎過程主要釋放電解液的揮發(fā)物。此外，前期的密度篩分會對后期各種金屬的浸出率產生直接的影響。
李麗表示，鋰電池活法回收技術中一項重要工作是分析磷酸鐵鋰的失效機制，“我們希望對每種材料，最好是采用不同的方式，就像病人看病一樣對癥下藥。磷酸鐵鋰結構非常穩(wěn)定，鋰的位置在充過電以后會出現(xiàn)缺失，所以，經(jīng)過元素分析可以看到在失效或上千次循環(huán)以后的磷酸鐵鋰材料功能”。
“磷酸鐵以及鐵的氧化物等材料導致磷酸鐵性能容量直接下降?；谶@種失效機制，在后期材料的混合物中進行‘補鋰’，可以補碳酸鹽形式，或者氫氧化鋁形式，進行高溫煅燒，材料性能就會有一定的恢復。”李麗說。
此外，傳統(tǒng)濕法技術主要是用酸的混合液對材料金屬元素從固相到液相進行分離，多為正極材料，負極和電解液的回收在過去幾十年為人們所忽視。
“可能因為負極石墨很便宜，所以大家覺得不值得補充。”李麗表達了自己的看法，“目前來講，我們希望對不同的部件進行全方位再生和資源化。負極材料回收以后可以生成石墨烯材料，而在電池領域或其他領域，石墨烯高導電性的吸引力是非常大的。”
電解液的回收也有技術可行性。采用二氧化碳的連接萃取方式，使電解液重新進行匹配以后，其電導率可以達到目前商業(yè)化的要求。
