作者:张双虎 来源:中国科学报 发布时间:2023/9/12 14:26:34
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催化新机制带来金属回收新工艺

 

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、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,提出接触电致催化新机制并发展了一种绿色、经济、高效率的锂电池回收技术。在锂电池及各种贵金属回收领域展现出良好的前景。近日,相关论文在《自然-能源》发表。

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接触电致催化回收锂电池正极材料流程。受访者供图

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和可再生能源存储领域,是人们生活和能源工业必需品。随着“双碳”目标的提出,人们对锂离子电池的需求持续增长,而锂和钴的需求也相应剧增。

一方面,锂电池中锂、钴含量远高于矿石,回收废电池比新建锂矿、钴矿具有更高的经济价值。另一方面,预计到2030年,全球废弃锂离子电池将达到200万吨/年,如果不能妥善处理,将带来严重环境问题,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。

目前,锂电池回收方法主要有火法回收、湿法回收和直接回收法。火法回收的反应温度高于一千摄氏度,会产生毒性气体,需要额外的处理,而且得到的合金和炉渣仍需通过“湿回收”工艺分离回收,虽然简单但成本过高;直接回收法虽然可以生成用于电池的电极粉末,但前期需要对电池进行归类,对电池的状态、电极材料的组成等进行精确的分析,从而定制化添加锂源,因此不具备普适性,难以大规模使用;湿法冶金作为商业浸出工艺,具有回收效率高,金属纯度高的优势,但需要加入还原剂,而还原剂作为消耗品会显著增加成本。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。

“为实现锂电池绿色、经济回收,我们提出接触电致催化回收锂电池的新机制。”唐伟告诉《中国科学报》,“该方法以二氧化硅(日常生活中常见的沙子主要成分)作催化剂,以机械能为驱动,利用其与水接触起电产生的电子转移诱导产生超氧自由基、过氧化氢等活性物质来还原电极粉末中高价态的金属,从而实现锂、镍、锰、钴等金属的有效浸出。”

实验表明,在90 ℃,超声6小时条件下,钴酸锂电池中锂的浸出率达到100%,钴的浸出率达92.19%。对于三元锂电池,在70 ℃,6小时条件下,锂、镍、锰、钴的浸出效率分别为94.56%、96.62%、96.54%和98.39%。

“二氧化硅无需任何化学修饰,作为介电粉末催化剂成本低廉,符合大规模商业应用需求。而且只需通过简单离心分离就回收,从而循环利用降低成本。这项工艺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。”唐伟说。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41560-023-01348-y

 

 
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