突破性研究使电池回收更加经济

诸平

 Direct recycling is the least energy-intensive method of recycling a lithium-ion battery. Credit: ReCell Center.

我们如何使废弃电池回收具有成本效益?美国再生电池中心(ReCell Center)的科学家朝着这个目标又迈进了一步。

锂离子电池（lithium-ion batteries）是我们现在和未来技术的引擎。它们为智能手机、笔记本电脑等便携式电子产品和越来越受欢迎的电动汽车(electric vehicles简称EVs)供电。但是锂离子电池使用的增加，尤其是在汽车上，已经超过了回收它们的技术。现在，位于美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的再生电池中心的科学家们有了一项关键的发现，消除了阻碍锂离子电池回收经济可行的最大障碍之一。再生电池中心是美国首个先进的电池回收研发中心。据美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）2021年9月28日提供的消息，他们的突破性研究使废弃电池回收更加经济（Breakthrough research makes battery recycling more economical）。

目前使用的回收工艺可以回收对电池制造商来说价值较低的金属。一个巨大的问题正在逼近:研究人员预计，在不到十年的时间里，每年将有200万吨报废的电动汽车锂离子电池被淘汰。报废电动汽车电池的数量目前很低，但随着老旧车型的使用寿命即将结束，而且目前的回收基础设施还没有准备好迎接这些电池的涌入，报废电动汽车电池的数量将大幅上升。

密歇根理工大学(Michigan Technological University简称MTU)的研究人员是再生电池研究团队的一部分，他们开发了一种创新的方法来分离构成电池正电荷电极的有价值的材料。

阿贡材料工程研究中心（Materials Engineering Research Facility at Argonne）的科学家们正在扩大MTU的创新分离过程，为大规模回收电动汽车电池铺平道路。因为电动汽车电池的正极材料（cathode materials）根据汽车制造商和生产年份的不同而不同，回收者必须采用金属锂氧化物的混合物——锂钴氧化物（lithium cobalt oxide）、锂镍锰钴氧化物（lithium nickel manganese cobalt oxide）、锂镍钴铝氧化物（lithium nickel cobalt aluminum oxide）、磷酸铁锂（lithium iron phosphate）等，并把每一种材料分开，以便这些材料可以重复使用。曾经不可能完成的任务现在突然变得可行了。相关研究结果于2021年7月29日已经在同行评议的科学杂志《能源技术》(Energy Technology)网站发表——Tinu-Ololade Folayan, Albert L. Lipson, Jessica L. Durham, Haruka Pinegar, Donghao Liu, Lei Pan. Direct Recycling of Blended Cathode Materials by Froth Flotation. Energy Technology, 2021. DOI: 10.1002/ente.202100468. First published: 29 July 2021. https://doi.org/10.1002/ente.202100468

在这篇新论文中，MTU和再生电池中心的研究人员详细介绍了他们的发现:一种在被称为泡沫浮选的旧工艺上采用新方法分离直接回收混合正极材料。泡沫浮选是矿业行业多年来用于矿石分离提纯的一种浮选方法，在浮选池中根据物料是否拒水浮或吸水沉来进行物料分离。

通常正极材料会下沉，这使得它们很难彼此分离。

锂镍锰钴氧化物(lithium nickel manganese cobalt oxide简称NMC111)和锂锰氧化物(lithium manganese oxide简称LMO)就是如此，这是再生电池研究团队在实验中使用的两种常见的电动汽车电池正极材料。研究人员发现，通过引入一种化学物质，使正极材料NMC111漂浮，使其排斥水，就可以实现分离。

一旦正极材料（cathode materials）被分离，研究人员通过测试确定，这个过程对材料的电化学性能的影响可以忽略不计。两者的纯度都很高(95%以上)。

“这是非常重要的，”阿贡国家实验室的材料科学家、该研究的合著者杰西卡·达勒姆(Jessica Durham)说，“因为如果电池行业打算购买回收的正极材料在新电池中重复使用，他们不会以牺牲电极材料的纯度为代价。”

这项研究与再生电池中心的使命紧密相关，该中心的使命是推进低能耗处理方法，捕获有价值的材料，直接回收、再生和再使用电池组件，而不破坏化学结构。该中心是由阿贡国家实验室、能源部的国家可再生能源实验室（DOE's National Renewable Energy Laboratory）、橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）、密歇根理工大学（Michigan Technological University）、加州大学圣地亚哥分校（University of California at San Diego）和伍斯特理工学院（Worcester Polytechnic Institute）合作建立的。

再生电池研究团队的发现有望产生广泛的影响，比如降低锂离子电池的回收成本;刺激利润丰厚的废旧锂离子电池回收市场的增长;降低电动汽车生产商和消费者的成本;使美国能够在全球电池回收行业中竞争;通过增加国内回收电池材料的使用，加强美国的能源独立性;减少美国对国外原材料来源的依赖性。

但就目前而言，再生电池研究团队正专注于逐步创造一个在经济上可行的完整的锂离子电池回收过程。只有这样，它才会被广泛采用。

杰西卡·达勒姆说:“无论用什么方法进行回收，回收者必须能够从中获利。我们知道，最终，整个过程必须是有利可图的。”赔本的买卖谁也不愿意干！

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Battery parts can be recycled without crushing or melting

Abstract

Direct Li-ion battery recycling involves separating cathode active materials in the solid phase while preserving their electrochemical performance. To reuse the recycled ones in new batteries, it is necessary to separate individual cathode components, which would typically occur prior to the rejuvenation and any compositional reformulation processes. Herein, a froth flotation process is developed to separate pristine lithium nickel–manganese–cobalt oxide (LiNi_0.333Mn_0.333Co_0.333O₂, NMC111) and lithium manganese oxide (LMO) materials. The flotation results show that with multiple stages of the separation processes, a satisfactory separation is achieved with 95% grade or above of NMC111 in the froth product and 95% grade of LMO in the tailing product. The electrochemistry results show that the flotation chemicals have negligible impact on the electrochemical performance of recycled active materials, whereas the NMC111 exhibits a minor capacity fade after being in contact with deionized water at 2% solid concentration. An improvement in both the rate and cycling performance is achieved at 10% solid concentration or higher. It is found that there is little compositional and structural change to the aqueous recycled NMC111 powders. An effective and low-cost separation method for direct recycling mixed cathode compositions is demonstrated.