研 究 背 景

能源危機(jī)、溫室效應(yīng)和空氣污染引發(fā)了對(duì)新儲(chǔ)能技術(shù)的研究，導(dǎo)致電化學(xué)儲(chǔ)能電池的持續(xù)發(fā)展和商業(yè)化。隨著鋰二次電池逐漸進(jìn)入報(bào)廢期，實(shí)現(xiàn)其高效綠色回收不僅是生態(tài)文明發(fā)展的戰(zhàn)略要求，也是資源安全供應(yīng)的現(xiàn)實(shí)保障。因此該領(lǐng)域的研究近年來(lái)得到越來(lái)越多的關(guān)注。

由于廢鋰離子電池中存在有價(jià)金屬和電解質(zhì)，一方面，回收可以防止環(huán)境污染。另一方面，鋰離子電池中的有價(jià)金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)許多天然礦物的含量，因此，回收可以幫助大大減少資源供應(yīng)的壓力，同時(shí)也有積極的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。各國(guó)也在政策層面上積極支持鋰離子電池回收產(chǎn)業(yè)，以刺激鋰產(chǎn)業(yè)積極回收和再利用廢舊電池，并在國(guó)家層面上支持經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略。

文 章 簡(jiǎn) 介

基于此，來(lái)自北京理工大學(xué)的李麗教授、吳鋒院士團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際知名期刊Energy & Environmental Science上發(fā)表題為“Carbon neutrality strategies for sustainable batteries: from structure, recycle, property to application”的綜述文章。

該文章采用結(jié)構(gòu)-回收-性能-應(yīng)用的有機(jī)四面體對(duì)目前鋰二次電池的回收技術(shù)進(jìn)行了全面的分析。并從多個(gè)維度評(píng)估了未來(lái)極具前景的新一代儲(chǔ)能電池，并基于鋰離子電池的回收現(xiàn)狀及回收理論，提出了可能的回收技術(shù)。此外，面向碳中和轉(zhuǎn)變，概述了鋰二次電池和下一代化學(xué)儲(chǔ)能電池關(guān)鍵材料回收技術(shù)的發(fā)展前景和面臨的挑戰(zhàn)。

圖1. 材料回收系統(tǒng)的有機(jī)四面體

本 文 要 點(diǎn)

要點(diǎn)一：可充電電池的環(huán)境影響

電池制造階段在電池的整個(gè)生命周期中對(duì)環(huán)境影響占主導(dǎo)地位。電池制造過(guò)程中的電極、組裝和成型部分是主要的碳排放來(lái)源。在制造LIB電極材料時(shí)，正極材料消耗的能量最大，其次是負(fù)極材料。減少碳排放的最佳方式是用更清潔的能源組合的電力來(lái)制造電池，其中包括用于電池生產(chǎn)的綠色電力以及用于制造電池上游必要部件的綠色電力。提高電池的比能量可能會(huì)間接地改善整個(gè)制造過(guò)程的環(huán)境性能。

優(yōu)化電池材料生產(chǎn)技術(shù)和提高能源使用效率將大大改善電池的環(huán)境影響。無(wú)論是初始使用還是回收再使用，可充電電池的環(huán)境效益都強(qiáng)烈依賴于電力來(lái)源。循環(huán)回收利用有可能通過(guò)提取用于制造新電池的材料，從而消除新原料的加工，最大限度地減少二氧化碳的排放。保證動(dòng)力電池資源的綠色供應(yīng)和提高可再生能源在充電鏈中的比例至關(guān)重要。

要點(diǎn)二：現(xiàn)有的LIBs回收技術(shù)

物質(zhì)的能量本身存在于微觀結(jié)構(gòu)中，不同材料具有不同的微觀結(jié)構(gòu)。例如，廢舊陰極材料通常是占據(jù)八面體位置的Li（或在LMO材料中占據(jù)四面體位置的Li）和占據(jù)八面體位置的過(guò)渡金屬，依靠離子鍵來(lái)固定它們。因此，廢料本身的能量被儲(chǔ)存在這些金屬多面體中。當(dāng)廢舊材料被回收時(shí)，其運(yùn)動(dòng)被改變，儲(chǔ)存在金屬多面體中的能量可以被轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，如熱能。

因此，廢舊材料的不同微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了不同的回收技術(shù)。多樣化的回收方法產(chǎn)生于具有不同結(jié)構(gòu)和成分的電極材料，而產(chǎn)品的特性最終決定了它們的使用方式。這些要素有機(jī)地構(gòu)成了電極材料回收技術(shù)的四面體。

要點(diǎn)三：下一代可充電電池全生命周期碳中和策略

下一代儲(chǔ)能電池的電池材料結(jié)構(gòu)和組裝工藝與現(xiàn)有的鋰離子電池有很大不同。要解決現(xiàn)有鋰離子電池的回收問(wèn)題，首先要在開(kāi)發(fā)新的電池材料時(shí)考慮到回收方面的問(wèn)題，如簡(jiǎn)單的拆解和安全的回收。例如，拆卸后易于與活性材料分離的粘合劑，以及具有高安全性和穩(wěn)定性的電解質(zhì)等。此外，根據(jù)目前對(duì)鋰離子電池回收的研究現(xiàn)狀，基于破壞材料內(nèi)在結(jié)構(gòu)的回收技術(shù)存在高能耗、高污染、高化學(xué)消耗等問(wèn)題。在處理下一代電池時(shí)，應(yīng)盡可能選擇直接修復(fù)或升級(jí)回收工藝。

要點(diǎn)四：前景及挑戰(zhàn)

關(guān)鍵電池材料的回收逐漸成為儲(chǔ)能領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，這也與人類生活和社會(huì)發(fā)展高度相關(guān)。結(jié)合目前鋰離子電池回收技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用，廢舊材料本征能量損失嚴(yán)重的回收技術(shù)往往會(huì)完全破壞材料結(jié)構(gòu)，使回收過(guò)程缺乏選擇性，從而導(dǎo)致金屬回收率低。未來(lái)，需要大力研究和開(kāi)發(fā)本征能量完全保留策略，逐步實(shí)現(xiàn)廢物直接修復(fù)和提升技術(shù)的落地和產(chǎn)業(yè)化。

（1）考慮混合材料系統(tǒng)的短程循環(huán)修復(fù)，進(jìn)一步深入研究耦合修復(fù)機(jī)制。其發(fā)展趨勢(shì)是通過(guò)工藝設(shè)計(jì)與綠色化學(xué)原理的結(jié)合，創(chuàng)造一種低能耗、對(duì)環(huán)境無(wú)害的直接修復(fù)工藝，實(shí)現(xiàn)廢舊鋰離子電池混合體系的短程修復(fù)。

（2）積極開(kāi)發(fā)升級(jí)改造技術(shù)，例如，可以考慮在修復(fù)的同時(shí)對(duì)電極材料進(jìn)行原位改性，以提高Li+的傳輸效率和電化學(xué)穩(wěn)定性。對(duì)于結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重、純度低的廢料，升級(jí)改造后的材料可以用于要求不高的領(lǐng)域。

（3）基于產(chǎn)物高值化開(kāi)發(fā)環(huán)境友好的選擇性轉(zhuǎn)化過(guò)程。雖然學(xué)者們開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)化技術(shù)在一定程度上降低了焙燒溫度，但仍存在高能耗的問(wèn)題。此外，由于需要控制產(chǎn)品的形態(tài)和顆粒大小，有必要采取有效的強(qiáng)化手段來(lái)降低固相轉(zhuǎn)化溫度，以減少能源消耗。

（4）根據(jù)現(xiàn)有的LIBs回收策略，需要全面分析關(guān)鍵下一代儲(chǔ)能電池電極材料的結(jié)構(gòu)和失效機(jī)制，從而采取相應(yīng)的回收技術(shù)。未來(lái)，下一代儲(chǔ)能電池關(guān)鍵材料直接修復(fù)和升級(jí)回收將是研究的重點(diǎn)方向。

審核編輯 ：李倩