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中科院成会明:废旧锂电池重生与再利用“新途径”

中科院院士成会明表示,在双碳战略下,电化学储能将迅猛发展,预计到2050年将达到数百GW。

从电池材料体系来看,目前电化学储能还是以锂离子电池为主,而受新能源汽车动力电池快速增长影响,未来锂离子电池使用量将急剧上升。

“随着使用量的增加,废旧锂离子电池的量也将呈现指数级增长,预计到2023年就将突破50万吨,然而全球来看,目前锂电池回收比例尚不足5%。”

成会明指出,与此同时,锂离子电池需要的贵金属资源,尤其是锂、钴等,我国资源有限,存在被“卡脖子”风险。

在成会明看来,电池回收意义重大:既能缓解锂电池的资源短缺,确保能源战略安全,也关乎新能源产业的可持续性发展。需要指出的是,电池回收发展任重道远,需要材料、环境、机械、信息等多学科交叉,共同推进行业的发展。

据成会明介绍,现有的废旧锂电池回收方法主要有火法和湿法两种,这两种回收方法均基于正极材料结构的破坏与有价金属元素的提取,而电极材料结构稳定,必须使用较为极端的条件,如高温、强酸等方法破坏正极材料中的化学键,且提取过程冗长。

成会明指出,现有回收技术面临如下挑战:一、基于结构破坏-再提取思路的湿法、火法回收方法流程长、能耗高。二、回收外加试剂的成本与排放不宜控制。三、回收产物应用具有局限性、经济性不高。

针对当前废旧锂电池回收痛点,基于其团队多年研究,成会明提出了如下回收思路:

从获得单质元素向获得化合物、间接回收向直接回收的转变(回收思路直接化);

使用外源试剂向内源的转变(回收流程封闭化);

回收产物的功能化、多样化、高值化(回收产物功能化)。

以直接回收法:失效磷酸铁锂的直接修复及其氮修饰为例,失效的磷酸铁锂中存在明显的Li+空位和 Fe-Li 反位缺陷(电化学循环过程中属于Fe位的Fe 迁移到 Li位),他们团队开发出多功能溶剂且添加锂源,通过水热和短暂煅烧的方式对Li+空位和Fe-Li 反位缺陷进行同步修复。

由于长时间循环,失效的磷酸铁锂在临近表面区域出现了磷酸高铁相(Li+ 空位造成)和Disorder的区域,还有一部磷酸铁锂相(提供残余容量)。修复后磷酸铁锂形成结构均一,元素分布均匀的磷酸铁锂相。对FePO4和Disorder 区域进行了有效修复。

在对失效磷酸铁锂修复的同时,对磷酸铁锂实现了氮掺杂。这对磷酸铁锂的电化学性能有极其重要的作用。修复后的磷酸铁锂恢复到商业磷酸铁锂的容量,极化明显减少,界面稳定性、倍率性能和高低温性能得到了极大的改善;由于N掺杂,因此修复后的磷酸铁锂展现出比商业磷酸铁锂更优异的循环稳定性;修复后的磷酸铁锂在高倍率下(5C,10C) 仍具有优异的循环稳定性。

最后,成会明指出,建立电池回收与利用体系是一个系统工程,需要储运、回收技术、便于回收的电池设计、可溯源性多方面的协同创新,需要多学科交叉,包括材料、机械、信息等领域的协同发展,“未来理想的回收体系,应该是电池全生命周期可溯源、拆解分选自动化、电池材料直接再生等创新技术的集成。”

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