萊斯大學(xué)材料科學(xué)家Pulickel Ajayan實(shí)驗(yàn)室使用環(huán)保的低共熔溶劑從鋰離子電池常用的金屬氧化物中提取有價(jià)值的元素。研究人員表示，目標(biāo)是減少使用苛刻的工藝來回收電池并使其遠(yuǎn)離垃圾填埋場。

由商品氯化膽堿和乙二醇制成的溶劑從粉末化合物中提取了90％以上的鈷，從廢舊電池中提取的含量較少，但相比目前其他提取技術(shù)多了。成果發(fā)布在《Nature Energy》上。

電池回收示意圖

從拆卸LIB開始，將陰極廢料插入DES（低共熔溶劑）中，然后加熱并攪拌。通過溶解發(fā)生鈷和鋰離子的提取，并且在該步驟中，當(dāng)過濾滲濾液時(shí)，可以單獨(dú)回收鋁箔，粘合劑和導(dǎo)電碳。然后可以通過沉淀或電沉積回收鈷化合物，從而允許再利用這些有價(jià)值的材料。

“可再充電電池浪費(fèi)，特別是來自鋰離子電池的電池浪費(fèi)，將來將成為越來越危險(xiǎn)的環(huán)境挑戰(zhàn)，因?yàn)橥ㄟ^它們在電動(dòng)汽車和其他小配件中的使用對(duì)這些電池的需求急劇增加。重要的是回收鈷等有限供應(yīng)的戰(zhàn)略金屬，這些金屬對(duì)這些儲(chǔ)能設(shè)備的性能至關(guān)重要。從我們目前的塑料現(xiàn)狀中學(xué)習(xí)的是，現(xiàn)在正是采取全面戰(zhàn)略來回收不斷增長的電池廢棄物的最佳時(shí)機(jī)。” Pulickel Ajayan表示。

“以前曾嘗試使用酸。它們是有效的，但它們具有腐蝕性，不環(huán)保?？偟膩碚f，回收鋰離子電池通常很昂貴并且對(duì)工人來說是一種風(fēng)險(xiǎn)。”研究生和主要作者Kimmai Tran說道。

Tran繼續(xù)補(bǔ)充，其他過程也存在缺陷?；鸱ㄒ苯鹕婕霸跇O端溫度下破碎和混合，有害煙霧需要擦洗。濕法冶金需要腐蝕性化學(xué)品，而其他提取金屬離子的“綠色”溶劑通常需要額外的試劑或高溫工藝才能完全捕獲它們。

Tran表示，低共熔溶劑可溶解各種金屬氧化物。“它實(shí)際上由雞飼料添加劑和常見的塑料前體制成，當(dāng)在室溫下混合在一起時(shí)，形成清澈，相對(duì)無毒的溶液，具有有效的溶劑化性質(zhì)。”

低共熔溶劑是兩種或多種化合物的混合物，它們在遠(yuǎn)低于其每種前體的溫度下凍結(jié); 人們可以從簡單的固體組合中獲得液體。

Kimmai Tran認(rèn)為，“冷凍和熔點(diǎn)的大幅下降是由于不同化學(xué)物質(zhì)之間形成的氫鍵。通過選擇合適的前體，可以制造具有有趣特性的廉價(jià)綠色溶劑。”

當(dāng)Tran加入時(shí)，Rice集團(tuán)已經(jīng)在下一代高溫超級(jí)電容器中測試共晶溶液作為電解質(zhì)。然而，賴斯研究科學(xué)家和共同作者Babu Ganguli說，解決方案是溶解金屬氧化物超級(jí)電容器; 共晶是從超級(jí)電容器的鎳中提取離子。

“我們的團(tuán)隊(duì)正在討論這個(gè)問題，我們很快意識(shí)到我們可以使用被認(rèn)為是電解液不利因素，這是溶解和回收廢舊鋰電池的一個(gè)優(yōu)勢。”——Babu Ganguli

這成為了Tran的焦點(diǎn)，因?yàn)樗诓煌臏囟群蜁r(shí)間尺度上測試了金屬氧化物上的低共熔溶劑。在使用鋰鈷氧化物粉末的測試期間，透明溶劑產(chǎn)生寬范圍的藍(lán)綠色，表明存在溶解在其中的鈷。

在180攝氏度（356華氏度）下，當(dāng)滿足某些條件時(shí)，溶劑提取了近90％的鋰離子和高達(dá)99％的鈷離子。

研究人員制造了小型原型電池，并將電池循環(huán)300次，然后將電極暴露在相同的條件下。證明溶劑能夠溶解鈷和鋰，同時(shí)將金屬氧化物與電極中存在的其他化合物分離。

他們發(fā)現(xiàn)鈷可以通過沉淀或甚至電鍍到共晶溶液中回收到鋼網(wǎng)，因?yàn)楹笠环N方法可能允許重復(fù)使用深低共熔溶劑本身。

“我們專注于鈷。從資源的角度來看，它是最關(guān)鍵的部分。手機(jī)中的電池肯定會(huì)有很多電池。鋰也是非常有價(jià)值的，但鈷尤其不僅環(huán)境稀缺，而且從社會(huì)的角度來看，也難以獲得。”萊斯校友Marco Rodrigues，現(xiàn)在是阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的博士后。

能源部正在加大推進(jìn)電池回收技術(shù)的力度，最近又宣布了一個(gè)鋰離子電池回收中心。國家科學(xué)基金會(huì)通過其研究生研究獎(jiǎng)學(xué)金計(jì)劃支持該研究。

對(duì)于現(xiàn)在熱度越來越高的低功耗出行以及環(huán)保需求來講，新能源汽車無疑是比較不錯(cuò)的發(fā)展方向。這不光是以行業(yè)的高度去對(duì)待，即便對(duì)于每一位車主而言，同等條件下以更低成本出行也是一個(gè)剛性的訴求，雖然還有很多短板，但新能源汽車的進(jìn)步是可以看見的，但同時(shí)，也出現(xiàn)了一個(gè)個(gè)阻礙新能源推進(jìn)的短板。

最近媒體有爆料顯示，特斯拉的生產(chǎn)又遇到了一個(gè)大的難題，那就是電池不足。而電池不足的根源在于生產(chǎn)電池所需要金屬出現(xiàn)了短缺，礦產(chǎn)嚴(yán)重不足。同時(shí)爆料稱特斯拉相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，這種短缺現(xiàn)象可能波及全行業(yè)，給新能源汽車下一個(gè)階段的發(fā)展造成困擾。顯然，這已經(jīng)不是特斯拉一個(gè)品牌的事情了，而是新能源汽車全行業(yè)將面臨的問題，很可能導(dǎo)致新能源起車整體漲價(jià)。

新能源汽車當(dāng)初有多種探索，而如今主流的“新能源汽車”已經(jīng)代指以電池為動(dòng)力的汽車了。不管是國外的特斯拉還是國內(nèi)的比亞迪或者其他品牌，研發(fā)生產(chǎn)新能源汽車的一個(gè)根本就在于電池。此前國內(nèi)在電池技術(shù)上可能與國外同行有一定差距，如今這種差距正在縮小，國產(chǎn)新能源汽車也開始成為市場寵兒，新能源汽車的發(fā)展有了很大進(jìn)步。

不過現(xiàn)在來看，要說新能源汽車取代傳統(tǒng)汽車，似乎還為時(shí)尚早。一方面是受到續(xù)航里程以及充電網(wǎng)絡(luò)覆蓋的制約，新能源汽車遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到燃油汽車的續(xù)航能力。另一方面則是現(xiàn)在遇到的新情況，雖然減少了燃油的使用，但電池生產(chǎn)本身要消耗大量的金屬，像我們常說的鎳氫電池、鎳鉻電池、鋰電池，都需要對(duì)應(yīng)的金屬來生產(chǎn)。

這些金屬是電池行業(yè)的支柱，但產(chǎn)量又有限，遇到需要大規(guī)模使用電池的新能源汽車，自然也就遇到瓶頸了。可以說哪里礦石儲(chǔ)備豐富，哪里就決定新能源汽車的未來，頗有點(diǎn)漫威宇宙中瓦坎達(dá)的感覺。而在新能源汽車領(lǐng)域，這個(gè)“瓦坎達(dá)”大概就是澳大利亞。

不過對(duì)此也不必過于擔(dān)心，新能源的上一個(gè)短板是什么？在國內(nèi)比較明顯的應(yīng)該就是充電樁部署。這并不是企業(yè)或者用戶能獨(dú)立解決的事情，牽扯到了許多方面，也因此成了一個(gè)行業(yè)問題。好在現(xiàn)在大城市的充電樁逐步普及，消除了新能源汽車發(fā)展上的絆腳石。每一個(gè)新生事物都會(huì)遇到各種各樣的問題，最后總有解決的辦法，只是難說會(huì)不會(huì)導(dǎo)致新能源汽車漲價(jià)。要知道特斯拉所遇到的電池荒，可就是正在發(fā)生的事情，如果波及更多品牌，那就要直接反映在價(jià)格上了。

磷酸鐵鋰（LiFePO 4）

1996年，德克薩斯大學(xué)發(fā)現(xiàn)磷酸鹽可作為再充電鋰電池的陰極材料。磷酸鋰具有良好的電化學(xué)性能和低電阻。這是通過納米級(jí)磷酸鹽陰極材料實(shí)現(xiàn)的。主要優(yōu)點(diǎn)是高額定電流和長循環(huán)壽命；良好的熱穩(wěn)定性，增強(qiáng)了安全性和對(duì)濫用的容忍度。如果長時(shí)間保持在高電壓下，磷酸鋰對(duì)全部充電條件的耐受性更強(qiáng)，并且比其他鋰離子系統(tǒng)的應(yīng)力更小。缺點(diǎn)是，較低的3.2V電池標(biāo)稱電壓使得比能量低于鈷摻雜鋰離子電池。對(duì)于大多數(shù)電池來說，低溫會(huì)降低性能，升高儲(chǔ)存溫度會(huì)縮短使用壽命，磷酸鋰也不例外。磷酸鋰具有比其他鋰離子電池更高的自放電，這可能會(huì)引起老化進(jìn)而帶來均衡問題，雖然可以通過選用高質(zhì)量的電池或使用先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)來彌補(bǔ)，但這兩種方式都增加了電池組的成本。電池壽命對(duì)制造過程中的雜質(zhì)非常敏感，不能承受水分的摻雜，由于水分雜質(zhì)的存在有些電池最短壽命只有50個(gè)循環(huán)。