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[转载][NCM封面文章] 太原理工大学刘旭光团队:废旧动力锂离子电池全组分回收技术研究进展

已有 2641 次阅读 2022-5-31 11:41 |个人分类:期刊|系统分类:科普集锦|文章来源:转载

随着近年来电动汽车的蓬勃发展,锂离子电池的使用量以及“退役量”都在逐年爆发式增长,随之而来的是废旧锂离子电池带来的环境污染以及资源短缺问题。目前商用锂离子电池多由过渡金属氧化物或磷酸盐基正极、石墨基负极、含有害锂盐的有机电解质、聚合物隔膜以及塑料或金属外壳组成,在电池“退役”后,其中的诸多贵金属以及石墨等都具有较高的回收价值(图1)。

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1. 废旧锂离子电池的循环回收示意图

近日,太原理工大学刘旭光教授团队受邀为《新型炭材料》(New Carbon Materials)撰写相关综述Research progress on recovering the components of spent Li-ion batteries。该综述对锂离子电池工作原理及组成结构、废旧锂离子电池全组分回收等研究现状进行了总结,着重介绍了废旧锂离子电池中正极材料、负极材料以及电解液回收的研究进展,从回收成本和二次污染等方面概述了不同方法所遇到的问题,并对未来的发展提供了一些思路。

锂离子电池(LIBs)一般由正极、负极、有机电解质、隔膜和外壳五大部分组成(图2)。目前己知的高性能LIBs正极材料按照晶体结构划分为聚阴离子结构、尖晶石结构以及层状结构。商用电池正极材料多为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元正极材料等。负极材料主要分为嵌入型、合金型和转化型负极材料,商用电池负极材料多为石墨。电解质通常为含有锂盐的有机溶剂。因此废旧LIBs中既含有大量的有价金属和石墨,同时也存在着部分有害物质,传统的集中填埋与直接焚烧处理工艺不仅造成极大的资源浪费,而且会导致严重的土地、大气与水资源污染。

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2. 锂离子电池的组成结构以及各组分分布情况

目前LIBs的回收流程是将废弃LIBs深度放电后,采用人工手动拆解或机械破碎分离电池各组分,然后通过相应技术实现各组分的资源化回收。正极材料回收方法主要包括火法和湿法,其中湿法回收是目前最有前景且研究最为广泛的回收方式,其过程主要包括浸出(酸浸出、碱浸出及生物浸出)和有价金属的分离纯化(溶剂萃取、化学沉淀和电化学沉积等)。在浸出过程中,常采用超声波、机械化学等辅助措施来强化浸出效率。而在浸出过程结束后的有价金属分离纯化过程中,仍存在许多挑战妨碍直接和选择性地从废旧LIBs的浸出液中分离单一金属。目前已有研究者利用离子印迹吸附分离材料以及离子筛等在浸出液中实现了锂资源的选择性提取,进一步的研究仍需深入探索。关于废旧LIBs回收的研究大多集中在正极材料,对于负极材料的研究主要是利用机械筛分和溶剂浸出的方式对石墨进行修复回收。电解液是除正极材料之外最有价值的组分,因此从收益最大化的角度考虑,应当回收。目前研究显示真空热解法和萃取法对电解液的处理比较有效。

但是,就目前废旧LIBs的回收工艺和行业现状来看,仍存在许多有待解决的问题,首先需要一个更灵活和通用的流程来回收不同类型的废旧LIBs,同时在处理过程中,需进一步考虑实际操作性及成本的可控性。另外应该对负极材料和电解质设计一系列系统的回收路径,实现整个电池的全组分回收再利用。与此同时,需要相关部门提供更多的政策支持以促进废旧LIBs回收行业的不断发展。未来也可以开发更经济、更环保、更高性能的电池材料或新型电池。

文章信息 New Carbon Materials

高韶君, 刘伟峰, 符冬菊, 刘旭光. 废旧动力锂离子电池全组分回收技术研究进展[J]. 新型炭材料, 2022, 37(3): 435-460.

GAO Shao-jun, LIU Wei-feng, FU Dong-ju, LIU Xu-guang. Research progress on recovering the components of spent Li-ion batteries[J]. New Carbon Materials, 2022, 37(3): 435-460. 

期刊官网:http://xxtcl.sxicc.ac.cn

国际版主页:https://www.sciencedirect.com/journal/new-carbon-materials

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