有什么方法簡化能鋰離子電池的組件，而不需使用銅集電器？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-18 19:46
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蓋世汽車訊據(jù)外媒報道，本周，特斯拉（Tesla）確認表示，其正在開發(fā)一個“獨特的電池回收系統(tǒng)”，該公司認為，從長期來看，該系統(tǒng)可以節(jié)省“可觀的資金”。
當?shù)貢r間4月15日，特斯拉發(fā)布了一份新“影響報告”（impactreport），報告顯示，特斯拉車隊擁有50多萬輛電動汽車，幫助阻止了400萬噸的二氧化碳被排放到大氣中。在該報告中，特斯拉還闡述了對電池回收的想法：“經(jīng)常聽到有人問，“一旦特斯拉汽車的電池組耗盡，會怎么處理呢？”。化石燃料與鋰離子電池都是能源，但是它們之間的區(qū)別是，化石燃料能夠被提取并一次性使用，而鋰離子電池中的材料能夠回收再利用。當石油從地底下開采出來，經(jīng)過化學提煉和燃燒后，會向大氣中釋放有害氣體，而此類氣體卻無法回收再利用。相比之下，電池材料經(jīng)過提煉，然后被放入電池中，在電池壽命終結(jié)后卻仍能保留下來，能夠再回收其中有價值的材料，反復使用”。
在電池回收方面，大多數(shù)汽車制造商目前都專注于電池組壽命耗盡之后的應(yīng)用，而特斯拉卻與它們不同。現(xiàn)代、寶馬和雷諾等汽車制造商已經(jīng)宣布，將在儲能系統(tǒng)中使用舊電池組，而不是回收電池組來生產(chǎn)新電池組，其中有些汽車制造商已經(jīng)在使用回收的舊電池組，用于儲能系統(tǒng)。
特斯拉表示，由于電池組壽命已盡，目前還沒有回收大量電池組，但是特斯拉正在回收幾款用于“研發(fā)、生產(chǎn)、質(zhì)量控制和服務(wù)運營”的電池組。該公司表示，其正與世界各地的第三方電池回收商合作，處理所有廢舊電池，回收有價值的金屬。與回收伙伴合作，確保負責任地處理電池中沒有價值或無法回收的材料。
但這顯然只是一個臨時的解決方案，因為特斯拉表示，其還在內(nèi)華達州的1號超級工廠（Gigafactory1）研發(fā)電池回收系統(tǒng)。特斯拉在報告中表示：“特斯拉正在1號超級工廠研發(fā)獨特的電池回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可處理電池生產(chǎn)廢料，還可處理報廢電池。通過該系統(tǒng)，鋰和鈷等關(guān)鍵礦物與電池中的銅、鋁和鋼等所有金屬的回收率將達到最高。將以最適合用作新電池生產(chǎn)材料的形式回收上述所有材料。
目前，也有幾家公司在研究如何在回收過程中，從電池中回收關(guān)鍵礦物質(zhì)。最近，AmericanManganese在試點回收工廠，成功在鋰離子電池陰極材料回收方面實現(xiàn)了高回收率。
特斯拉認為，其閉環(huán)電池回收過程將可節(jié)省可觀的資金，因為大規(guī)模回收再利用電池材料的成本遠低于購買和運輸新材料的成本。
此外，特斯拉聯(lián)合創(chuàng)始人兼現(xiàn)任首席技術(shù)官JBStraubel于兩年前創(chuàng)辦了一家材料回收初創(chuàng)公司，據(jù)信，該公司與特斯拉關(guān)系匪淺。長效可充電鋰離子（Li-ion）電池具有高能量密度和低自放電性能，并且正在探索進入航空航天和軍事應(yīng)用等領(lǐng)域。隨著能源消耗需求的增加，同時降低我們使用化石燃料的壓力，我們的社會正在努力尋找制造儲能設(shè)備的創(chuàng)新方法。
在過去，3D打印技術(shù)被用于制造鋰離子電池的多孔電極，甚至是電池本身。曼徹斯特城市大學、中國中南大學和切斯特大學的一組研究人員最近發(fā)表了一篇題為“新一代增材制造：可調(diào)節(jié)石墨烯/聚乳酸（酸）絲材”的論文，該論文允許制造3D可打印多孔陽極，以便應(yīng)用于鋰離子電池中，“關(guān)于他們在3D打印鋰離子電池中應(yīng)用鋰離子陽極的工作，使用定制的石墨烯/聚乳酸絲材制成，可以輕松定制石墨烯含量。
摘要中寫道：“我們證明，20wt.%的石墨烯含量具有足夠的導電性和關(guān)鍵、有效的3D打印能力，可快速制造3D打印獨立陽極（3DAs）；簡化了鋰離子電池的組件，無需使用銅集電器。3DAs具有物理化學和電化學特征，具有足夠的導電性，用于電化學研究。關(guān)鍵的是，研究發(fā)現(xiàn)如果3DAs用于鋰離子電池，其比容量非常低，但通過使用化學預(yù)處理可以顯著提高。這種處理引起孔隙率增加，這導致比容量（電流密度為40mAg-1時約為500mAhg-1）增加200倍（在陽極穩(wěn)定之后）。這項工作顯著增強了增材制造/3D打印石墨烯基能量存儲設(shè)備領(lǐng)域，證明可以實現(xiàn)有用的3D可打印電池。”
許多研究人員正在研究新型納米材料，如碳納米管和石墨烯，用于3D打印新型儲能設(shè)備，如鋰基電池，因為該技術(shù)可用于創(chuàng)建具有大表面積的結(jié)構(gòu)，這在能源能力方面很有幫助。這個特殊的團隊使用FDM（基于擠出）技術(shù)，從定制的3D可打印石墨烯/聚乳酸絲材中制造出鋰離子陽極。他們還進行了電化學和物理化學表征，以確保石墨烯含量得到優(yōu)化，以控制其3D打印獨立陽極或3DAs的導電性、電化學活性和3D可打印性。
研究人員表示，“這種方法簡化了鋰離子電池的組件，而不需使用銅集電器。”
該團隊使用AutodeskFusion360為這項工作創(chuàng)建了3D打印設(shè)計，一個直徑為1.0毫米的圓形圓盤電極，在190°C下使用直接驅(qū)動擠出機在ZMorph3D打印機上打印。3D可打印石墨烯/聚乳酸絲材由一系列1,5,15,20和40wt.％的石墨烯納米片制成，其使用熱重分析（TGA）進行驗證。
石墨烯/聚乳酸粉末，各自的絲材和3DAs的物理化學表征和光學圖像。A：熱重分析，B：電阻率與石墨烯含量，C：20wt.%的透射電鏡分析（TEM）分析。D：3DAs的3D打印工藝（用于電化學表征），E：拉曼（插圖）和3DA的拉曼圖譜。
“簡而言之，含20wt.%以上的石墨烯/聚乳酸絲材的制造在均勻性、可打印性和結(jié)構(gòu)完整性方面是非常脆且高度不可生產(chǎn)；另外，石墨烯重量百分比低于10%的絲材沒有提供足夠的滲透性（即高電阻率）”。研究人員寫道。
“因此，我們發(fā)現(xiàn)15–20%是最佳重量。當我們考慮使用石墨烯納米片時，電阻率下降，電導率增加。”
在優(yōu)化了石墨烯含量之后，該團隊將20wt.%石墨烯絲材用于3D打印測試陽極，以獲得更多的物理化學表征。他們還完成了對陽極的拉曼分析，以及XPS分析；后者涉及“在C1s和O1s光電子峰上”進行高分辨率掃描，這種掃描形狀寬廣而奇特。分分析表明，與石墨烯/聚乳酸樣品相比，聚乳酸有兩種形式，大致相同的水平。
“總而言之，XPS分析顯示，石墨烯/聚乳酸絲材內(nèi)的大量石墨烯完全分散在聚乳酸中，在整個樣品中形成導電通路，從而證實了上述電化學和物理化學特征。”研究人員寫道。
典型石墨烯3DA與氫氧化鈉（NaOH）前后化學處理的SEM圖像顯示其各自的充電、放電曲線。用于測試陽極的裝置比傳統(tǒng)的電池更簡單，因為不需要銅集電器。
最后，該團隊評估了鋰離子電池設(shè)置中3DAs的能量能力，發(fā)現(xiàn)石墨烯3DAs具有相對較低的電化學響應(yīng)。為了進一步了解，他們分析了石墨烯3DA的形貌，表明其表面沒有良好的孔隙度來潤濕電解質(zhì)。通過向3DAs引入簡單的化學預(yù)處理氫氧化鈉（NaOH）達24小時，研究人員能夠誘導孔隙度并克服這一限制。
為了進一步了解，他們使用X射線衍射分析了這種預(yù)處理前后石墨烯/PLA的晶體結(jié)構(gòu)，解釋了SEM圖像和XRD圖譜顯示材料沒有失去其3D結(jié)構(gòu)，“但現(xiàn)在提供了良好的電化行為/性能。”
“我們建議將石墨烯納入3DA中，其電化學行為主要類似于石墨烯，并且復合材料中增加的石墨烯納米片的表面積提供了改進的能量輸出。”研究人員說，“本文的結(jié)果通過使用可裁剪的石墨烯/聚乳酸絲材增強了增材制造/3D打印石墨烯基儲能裝置的領(lǐng)域，并且對3D打印陽極進行簡單的化學處理，可使其內(nèi)部增加200倍比容量（陽極穩(wěn)定后）。”
該團隊確定3D打印的獨立式陽極具有20wt.%石墨烯含量具有最有效的3D可打印性和導電性。
“這里給出的結(jié)果顯著增強了增材制造/3D打印石墨烯基能量存儲設(shè)備領(lǐng)域，證明可以實現(xiàn)有用的3D打印電池。”該論文總結(jié)道。
當?shù)貢r間4月15日，特斯拉發(fā)布了一份新“影響報告”（impactreport），報告顯示，特斯拉車隊擁有50多萬輛電動汽車，幫助阻止了400萬噸的二氧化碳被排放到大氣中。在該報告中，特斯拉還闡述了對電池回收的想法：“經(jīng)常聽到有人問，“一旦特斯拉汽車的電池組耗盡，會怎么處理呢？”。化石燃料與鋰離子電池都是能源，但是它們之間的區(qū)別是，化石燃料能夠被提取并一次性使用，而鋰離子電池中的材料能夠回收再利用。當石油從地底下開采出來，經(jīng)過化學提煉和燃燒后，會向大氣中釋放有害氣體，而此類氣體卻無法回收再利用。相比之下，電池材料經(jīng)過提煉，然后被放入電池中，在電池壽命終結(jié)后卻仍能保留下來，能夠再回收其中有價值的材料，反復使用”。
在電池回收方面，大多數(shù)汽車制造商目前都專注于電池組壽命耗盡之后的應(yīng)用，而特斯拉卻與它們不同。現(xiàn)代、寶馬和雷諾等汽車制造商已經(jīng)宣布，將在儲能系統(tǒng)中使用舊電池組，而不是回收電池組來生產(chǎn)新電池組，其中有些汽車制造商已經(jīng)在使用回收的舊電池組，用于儲能系統(tǒng)。
特斯拉表示，由于電池組壽命已盡，目前還沒有回收大量電池組，但是特斯拉正在回收幾款用于“研發(fā)、生產(chǎn)、質(zhì)量控制和服務(wù)運營”的電池組。該公司表示，其正與世界各地的第三方電池回收商合作，處理所有廢舊電池，回收有價值的金屬。與回收伙伴合作，確保負責任地處理電池中沒有價值或無法回收的材料。
但這顯然只是一個臨時的解決方案，因為特斯拉表示，其還在內(nèi)華達州的1號超級工廠（Gigafactory1）研發(fā)電池回收系統(tǒng)。特斯拉在報告中表示：“特斯拉正在1號超級工廠研發(fā)獨特的電池回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可處理電池生產(chǎn)廢料，還可處理報廢電池。通過該系統(tǒng)，鋰和鈷等關(guān)鍵礦物與電池中的銅、鋁和鋼等所有金屬的回收率將達到最高。將以最適合用作新電池生產(chǎn)材料的形式回收上述所有材料。
目前，也有幾家公司在研究如何在回收過程中，從電池中回收關(guān)鍵礦物質(zhì)。最近，AmericanManganese在試點回收工廠，成功在鋰離子電池陰極材料回收方面實現(xiàn)了高回收率。
特斯拉認為，其閉環(huán)電池回收過程將可節(jié)省可觀的資金，因為大規(guī)模回收再利用電池材料的成本遠低于購買和運輸新材料的成本。
此外，特斯拉聯(lián)合創(chuàng)始人兼現(xiàn)任首席技術(shù)官JBStraubel于兩年前創(chuàng)辦了一家材料回收初創(chuàng)公司，據(jù)信，該公司與特斯拉關(guān)系匪淺。長效可充電鋰離子（Li-ion）電池具有高能量密度和低自放電性能，并且正在探索進入航空航天和軍事應(yīng)用等領(lǐng)域。隨著能源消耗需求的增加，同時降低我們使用化石燃料的壓力，我們的社會正在努力尋找制造儲能設(shè)備的創(chuàng)新方法。
在過去，3D打印技術(shù)被用于制造鋰離子電池的多孔電極，甚至是電池本身。曼徹斯特城市大學、中國中南大學和切斯特大學的一組研究人員最近發(fā)表了一篇題為“新一代增材制造：可調(diào)節(jié)石墨烯/聚乳酸（酸）絲材”的論文，該論文允許制造3D可打印多孔陽極，以便應(yīng)用于鋰離子電池中，“關(guān)于他們在3D打印鋰離子電池中應(yīng)用鋰離子陽極的工作，使用定制的石墨烯/聚乳酸絲材制成，可以輕松定制石墨烯含量。
摘要中寫道：“我們證明，20wt.%的石墨烯含量具有足夠的導電性和關(guān)鍵、有效的3D打印能力，可快速制造3D打印獨立陽極（3DAs）；簡化了鋰離子電池的組件，無需使用銅集電器。3DAs具有物理化學和電化學特征，具有足夠的導電性，用于電化學研究。關(guān)鍵的是，研究發(fā)現(xiàn)如果3DAs用于鋰離子電池，其比容量非常低，但通過使用化學預(yù)處理可以顯著提高。這種處理引起孔隙率增加，這導致比容量（電流密度為40mAg-1時約為500mAhg-1）增加200倍（在陽極穩(wěn)定之后）。這項工作顯著增強了增材制造/3D打印石墨烯基能量存儲設(shè)備領(lǐng)域，證明可以實現(xiàn)有用的3D可打印電池。”
許多研究人員正在研究新型納米材料，如碳納米管和石墨烯，用于3D打印新型儲能設(shè)備，如鋰基電池，因為該技術(shù)可用于創(chuàng)建具有大表面積的結(jié)構(gòu)，這在能源能力方面很有幫助。這個特殊的團隊使用FDM（基于擠出）技術(shù)，從定制的3D可打印石墨烯/聚乳酸絲材中制造出鋰離子陽極。他們還進行了電化學和物理化學表征，以確保石墨烯含量得到優(yōu)化，以控制其3D打印獨立陽極或3DAs的導電性、電化學活性和3D可打印性。
研究人員表示，“這種方法簡化了鋰離子電池的組件，而不需使用銅集電器。”
該團隊使用AutodeskFusion360為這項工作創(chuàng)建了3D打印設(shè)計，一個直徑為1.0毫米的圓形圓盤電極，在190°C下使用直接驅(qū)動擠出機在ZMorph3D打印機上打印。3D可打印石墨烯/聚乳酸絲材由一系列1,5,15,20和40wt.％的石墨烯納米片制成，其使用熱重分析（TGA）進行驗證。
石墨烯/聚乳酸粉末，各自的絲材和3DAs的物理化學表征和光學圖像。A：熱重分析，B：電阻率與石墨烯含量，C：20wt.%的透射電鏡分析（TEM）分析。D：3DAs的3D打印工藝（用于電化學表征），E：拉曼（插圖）和3DA的拉曼圖譜。
“簡而言之，含20wt.%以上的石墨烯/聚乳酸絲材的制造在均勻性、可打印性和結(jié)構(gòu)完整性方面是非常脆且高度不可生產(chǎn)；另外，石墨烯重量百分比低于10%的絲材沒有提供足夠的滲透性（即高電阻率）”。研究人員寫道。
“因此，我們發(fā)現(xiàn)15–20%是最佳重量。當我們考慮使用石墨烯納米片時，電阻率下降，電導率增加。”
在優(yōu)化了石墨烯含量之后，該團隊將20wt.%石墨烯絲材用于3D打印測試陽極，以獲得更多的物理化學表征。他們還完成了對陽極的拉曼分析，以及XPS分析；后者涉及“在C1s和O1s光電子峰上”進行高分辨率掃描，這種掃描形狀寬廣而奇特。分分析表明，與石墨烯/聚乳酸樣品相比，聚乳酸有兩種形式，大致相同的水平。
“總而言之，XPS分析顯示，石墨烯/聚乳酸絲材內(nèi)的大量石墨烯完全分散在聚乳酸中，在整個樣品中形成導電通路，從而證實了上述電化學和物理化學特征。”研究人員寫道。
典型石墨烯3DA與氫氧化鈉（NaOH）前后化學處理的SEM圖像顯示其各自的充電、放電曲線。用于測試陽極的裝置比傳統(tǒng)的電池更簡單，因為不需要銅集電器。
最后，該團隊評估了鋰離子電池設(shè)置中3DAs的能量能力，發(fā)現(xiàn)石墨烯3DAs具有相對較低的電化學響應(yīng)。為了進一步了解，他們分析了石墨烯3DA的形貌，表明其表面沒有良好的孔隙度來潤濕電解質(zhì)。通過向3DAs引入簡單的化學預(yù)處理氫氧化鈉（NaOH）達24小時，研究人員能夠誘導孔隙度并克服這一限制。
為了進一步了解，他們使用X射線衍射分析了這種預(yù)處理前后石墨烯/PLA的晶體結(jié)構(gòu)，解釋了SEM圖像和XRD圖譜顯示材料沒有失去其3D結(jié)構(gòu)，“但現(xiàn)在提供了良好的電化行為/性能。”
“我們建議將石墨烯納入3DA中，其電化學行為主要類似于石墨烯，并且復合材料中增加的石墨烯納米片的表面積提供了改進的能量輸出。”研究人員說，“本文的結(jié)果通過使用可裁剪的石墨烯/聚乳酸絲材增強了增材制造/3D打印石墨烯基儲能裝置的領(lǐng)域，并且對3D打印陽極進行簡單的化學處理，可使其內(nèi)部增加200倍比容量（陽極穩(wěn)定后）。”
該團隊確定3D打印的獨立式陽極具有20wt.%石墨烯含量具有最有效的3D可打印性和導電性。
“這里給出的結(jié)果顯著增強了增材制造/3D打印石墨烯基能量存儲設(shè)備領(lǐng)域，證明可以實現(xiàn)有用的3D打印電池。”該論文總結(jié)道。
