北京納米能源所Nature Energy

導讀

鋰離子電池(LIBs)作為目前主要的儲能技術，廣泛應用于各類電子設備，移動電話、筆記本電腦、電動汽車和可再生能源存儲，是個人生活和能源工業的必需品。隨著碳中和的全球化趨勢，對鋰離子電池的需求在持續增長，相應地就需要更多的鋰和鈷。相較于新建更多的鋰礦，鈷礦等，由于鋰電池中鋰鈷的含量遠高于礦石和鹽堿中的含量，因此回收廢電池具有更高的經濟價值。另一方面，預計到2030年，全球廢棄的鋰離子電池將達到200萬噸/年，如果不妥善處理，將造成嚴重的環境污染，對公眾健康構成極大威脅。因此，回收廢舊鋰電中的金屬元素具有重大的環境、社會和經濟意義。但目前的回收技術中，火法回收存在嚴重的有毒氣體釋放的問題；直接回收存在純度低，無法大規模使用的問題。濕法回收被認為是綠色、回收效率高且可持續的方案。不過，也存在強酸廢水排放，或還原劑無法循環利用導致的回收成本高的問題。因此，有必要開發一種高效、經濟、綠色的濕法回收方法，以滿足鋰離子電池指數級增長的需求。

成果掠影

中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士和唐偉研究員團隊將材料接觸起電這一物理現象與催化學科交叉融合，提出了接觸電致催化這一新機制，開發了綠色、高效率和經濟的鋰電池回收技術。具體方案為，以二氧化硅（日常生活中常見的沙子主要成分）作催化劑，利用其與水接觸起電產生的電子轉移，誘導產生羥基自由基、超氧自由基等活性物種，來還原電極粉末中高價態的金屬，實現金屬的有效浸出。實驗結果表明，在90 ℃，超聲6小時后，鈷酸鋰電池中鋰的浸出率達到100%，鈷的浸出率達到92.19%。對于三元鋰電池，在70 ℃，6小時后，鋰、鎳、錳、鈷的浸出效率分別為94.56%、96.62%、96.54%和98.39%。相關研究成果以“A contact-electro-catalytic cathode recycling method for spent lithium-ion batteries”發表在Nature?Energy上。

核心創新點

1.以二氧化硅與水接觸起電的電子轉移產生的活性自由基實現金屬價態改變，完成金屬浸出；

2.這種催化反應以機械能為驅動，均勻分布在整個溶液體系中，具有規模化應用前景；

3.二氧化硅是日常生活常見的沙子的主要成分，成本低且具有化學惰性，回收方便，可顯著降低鋰電池濕法回收的工藝成本。

數據概覽

圖1：CEC回收鋰電池流程圖。

圖2：CEC浸出工藝的參數調節。

圖3：CEC浸出工藝的機理研究。

圖4：金屬的分離回收。

圖5：催化劑的回收利用。

成果啟示

本文開發了一種循環經濟的鋰電池回收工藝，該工藝基于接觸電致催化，利用化學惰性的SiO₂為催化劑，生成電子、過氧化氫等具有還原特性的活性物種將高價態的金屬還原為低價態的離子，從而實現了鈷酸鋰電池和三元鋰電池中金屬的有效浸出。通過離心回收后，催化劑仍然具有較好的浸出效果，可以循環利用，使得鋰電池回收工藝更具有經濟效益。這項工作有助于進一步開發綠色，高效，經濟的鋰電池回收及電子垃圾中貴金屬回收的工藝。

文獻鏈接：

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

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