锂离子电池广泛应用也需要同步回收处理

北京时间昨天傍晚揭晓的2019诺贝尔化学奖,颁给在几乎人人都用的锂电池上做出贡献的三位科学家:约翰·B·古迪纳夫、M·斯坦利·威廷汉、吉野彰,他们都与国内专家常有交集,在能源电力领域合作甚好。

 接力做出商业化锂离子电池

“今年颁奖给锂离子电池是实至名归。”上海科技大学物质科学与技术学院教授林柏霖说。锂电池投入市场近30年来,学界对这项发明获得诺贝尔奖的呼声一直很高。为何今年诺贝尔奖才垂青于锂电池?其推测,这是由于近年来锂电池在新能源汽车等移动式产品中得到广泛应用。此外,可能也和全球气候变化导致的二氧化碳减排压力有关。“我们团队曾在《焦耳》杂志上发表论文,预测2040年前的这段时间将是人类通过二氧化碳减排,避免灾难性气候变化最后时间窗口。锂离子电池,则是低碳排放新能源储存方式中必不可少的一种。”

获奖的三位科学家接力做出商业化的锂离子电池。M·斯坦利·威廷汉是锂离子电池最早的“开拓者”。1970年,他采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成首个小型化锂电池,但由于没有选对材料,最初的锂电池极易爆炸。1980年,约翰·B·古迪纳夫提出,使用金属氧化物制成电池的正极,大为提升锂电池的性能。不过,他还是没能开发出商业化的锂离子电池。直到1985年,当诺奖第三人——吉野彰将金属锂和碳材料组合在一起用作电池的负极,才真正解决了锂离子电池的安全问题。此后,锂电真正走进并改变了人们的生活。

事实上,特斯拉最新款电动车采用的,以及华东理工大学超细材料制备与应用教育部重点实验室副主任江浩正在研究的,都是新型化合物“镍钴酸锂”的正极材料,降低贵金属钴的比例,而将镍的比例提高至80%甚至更高。但不可否认,锂电池没有根本性地突破古迪纳夫提出的基本架构。

不过,上海理工大学能源与动力工程学院教授苏林提出,目前锂元素在地球含量十分有限,属于相对微量元素,“如果把目前地球所有的锂都只用来生产新能源电动汽车,也只能满足几千万辆新能源汽车使用。”因此,在锂离子电池广泛应用的同时,也需同步进行回收处理等方面的研究。

科学研究并非一日之功

听闻化学诺奖公布,上海交通大学化学化工学院特聘教授兼能源研究院副院长马紫峰教授多年前的预言得到验证。他曾于半年前邀M·斯坦利·威廷汉来沪,并共赴绍兴参加第14届中美电动汽车与电池技术信息交流会。“威廷汉和我每年要见好几次。”

吉野彰也曾应邀探访上海,感慨车用锂电池和新能源汽车发展迅猛,并对中国锂电池制造商评价甚高。他笑言,借助日本科技力量,锂电池在研发上有了重大突破,而中国企业也正与全世界公司一道,让锂电池重新定义未来,“尽管技术千变万化,然而与之相对应的科学研究并非一日之功,在快慢之间寻求平衡与突破是科技的真正要义所在。”

中国研究团队也做出贡献。马紫峰团队完成的“磷酸铁锂动力电池制造及其应用过程关键技术”项目,今年荣获国家科学技术进步奖二等奖。他表示,无论是新能源汽车、轨道交通、物流车等电动运输工具,以及智能电网储能系统等,中国在磷酸铁锂电池应用领域的研发与生产已经走在世界前沿。“一项新技术并非诞生于灵感产生的瞬间,而是在广大研究人员不断探索和实践的基础上逐渐发展起来的。”

锂电池回收技术手段有哪些?

锂电池回收典型的后续路径有两类,梯次利用或者直接材料回收。

1、梯次利用与原料回收

退役动力锂电池,走梯次利用道路的,是梯次利用之后再进行材料回收;直接材料回收的是批量过小的,无历史可查的,安全监测不合格的等等。

追求经济效益是企业和社会行为的动力。按道理,梯次利用,到锂电池的可利用价值降低到维护成本以下,再做原料回收,才是电池价值最大化。但实际的情况是,早期动力电池可追溯性差,质量、型号参差不齐。早期电池的梯次利用风险大,剔除风险的成本高,因而可以说,在动力电池回收的前期,电池的去处大概率以原料回收为主。

2、正极材料有价金属提取方法

当前说的动力锂电池回收,其实并没有做到整个电池上各类材料的全面回收再利用。正极材料的种类主要包括:钴酸锂,锰酸锂,三元锂,磷酸铁锂等。

电池正极材料成本占据单体电池成本1/3以上,而由于负极目前采用石墨等碳材料较多,钛酸锂Li4Ti5O12和硅碳负极Si/C应用较少,所以目前电池的回收技术主要针对的是电池正极材料回收。

废旧锂电池的回收方法主要有物理法、化学法和生物法三大类。与其他方法相比,湿法冶金因其能耗低、回收效率高及产品纯度高等优点被认为是一种较理想的回收方法。

3、湿法冶金

湿法冶金是用合适的化学试剂选择性溶解废旧锂离子电池中的正极材料,并分离浸出液中的金属元素的一种方法。湿法冶金工艺比较适合回收化学组成相对单一的废旧锂电池,可以单独使用,也可以联合高温冶金一起使用,对设备要求不高,处理成本较低,是一种很成熟的处理方法,适合中小规模废旧锂离子电池的回收。

4、火法冶金

火法冶金,又称焚烧法或干法冶金,是通过高温焚烧去除电极材料中的有机粘结剂,同时使其中的金属及其化合物发生氧化还原反应,以冷凝的形式回收低沸点的金属及其化合物,对炉渣中的金属采用筛分、热解、磁选或化学方法等进行回收。火法冶金对原料的组分要求不高,适合大规模处理较复杂的锂电池。