北京纳米能源所Nature Energy

导读

锂离子电池(LIBs)作为目前主要的储能技术，广泛应用于各类电子设备，移动电话、笔记本电脑、电动汽车和可再生能源存储，是个人生活和能源工业的必需品。随着碳中和的全球化趋势，对锂离子电池的需求在持续增长，相应地就需要更多的锂和钴。相较于新建更多的锂矿，钴矿等，由于锂电池中锂钴的含量远高于矿石和盐碱中的含量，因此回收废电池具有更高的经济价值。另一方面，预计到2030年，全球废弃的锂离子电池将达到200万吨/年，如果不妥善处理，将造成严重的环境污染，对公众健康构成极大威胁。因此，回收废旧锂电中的金属元素具有重大的环境、社会和经济意义。但目前的回收技术中，火法回收存在严重的有毒气体释放的问题；直接回收存在纯度低，无法大规模使用的问题。湿法回收被认为是绿色、回收效率高且可持续的方案。不过，也存在强酸废水排放，或还原剂无法循环利用导致的回收成本高的问题。因此，有必要开发一种高效、经济、绿色的湿法回收方法，以满足锂离子电池指数级增长的需求。

成果掠影

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和唐伟研究员团队将材料接触起电这一物理现象与催化学科交叉融合，提出了接触电致催化这一新机制，开发了绿色、高效率和经济的锂电池回收技术。具体方案为，以二氧化硅（日常生活中常见的沙子主要成分）作催化剂，利用其与水接触起电产生的电子转移，诱导产生羟基自由基、超氧自由基等活性物种，来还原电极粉末中高价态的金属，实现金属的有效浸出。实验结果表明，在90 ℃，超声6小时后，钴酸锂电池中锂的浸出率达到100%，钴的浸出率达到92.19%。对于三元锂电池，在70 ℃，6小时后，锂、镍、锰、钴的浸出效率分别为94.56%、96.62%、96.54%和98.39%。相关研究成果以“A contact-electro-catalytic cathode recycling method for spent lithium-ion batteries”发表在Nature Energy上。

核心创新点

1.以二氧化硅与水接触起电的电子转移产生的活性自由基实现金属价态改变，完成金属浸出；

2.这种催化反应以机械能为驱动，均匀分布在整个溶液体系中，具有规模化应用前景；

3.二氧化硅是日常生活常见的沙子的主要成分，成本低且具有化学惰性，回收方便，可显著降低锂电池湿法回收的工艺成本。

数据概览

图1：CEC回收锂电池流程图。

图2：CEC浸出工艺的参数调节。

图3：CEC浸出工艺的机理研究。

图4：金属的分离回收。

图5：催化剂的回收利用。

成果启示

本文开发了一种循环经济的锂电池回收工艺，该工艺基于接触电致催化，利用化学惰性的SiO₂为催化剂，生成电子、过氧化氢等具有还原特性的活性物种将高价态的金属还原为低价态的离子，从而实现了钴酸锂电池和三元锂电池中金属的有效浸出。通过离心回收后，催化剂仍然具有较好的浸出效果，可以循环利用，使得锂电池回收工艺更具有经济效益。这项工作有助于进一步开发绿色，高效，经济的锂电池回收及电子垃圾中贵金属回收的工艺。

文献链接：

https://doi.org/10.1038/s41560-023-01348-y

A contact-electro-catalytic cathode recycling method for spent lithium-ion batteries | Nature Energy