電池回收技術革新！中科院大連化物所陳忠偉院士團隊最新Nature Sustain.！

一、【科學背景】

近年來，由電池提供動力的新能源汽車不斷發展，尤其是在沿海區域，新能源汽車的滲透率逐年提高，這一方面得益于鋰離子電池技術的發展，也說明了中國新能源汽車的制備水平已經達到了世界領先水平。然而，新能源汽車使用量攀升的同時，引發了人們對廢舊鋰離子電池處理的擔憂。究其原因，廢鋰離子電池作為一種高價值的材料，其中包括鎳（Ni）、鈷（Co）、錳（Mn）和鋰（Li），這些金屬含量高于天然礦石中的金屬。雖然鋰離子電池變得越來越耐用、更環保、更易于制造，并且對稀土元素的依賴程度降低，但仍然缺乏對廢舊鋰離子電池的經濟綠色回收策略的思考。特別是對于大規模商業化電池回收，開發經濟實惠、無污染和高效的工藝對于實現可持續儲能非常可取。

二、【科學貢獻】

基于此，中國科學院大連化學物理研究所陳忠偉院士和張永光研究員等人在Nature Sustainability發表了題為“Sustainable regeneration of spent cathodes for lithium-ion and post-lithium-ion batteries”的論文，研究人員首先引入溫和且可回收的浸出劑來提取高價值元素，而無需額外的復雜雜質去除步驟。隨后，采用經濟實惠且可擴展的再生方法合成用于鋰離子電池及其其他電池類型電池的正極材料，例如鈉離子電池（SIBs）和鋅離子電池（ZIBs），從而實現向更可持續的存儲技術的無縫銜接。結果顯示，本文再生的正極材料即使在高荷載的情況下也展現出優異的電化學循環性能，具有優異的界面和結構穩定性，甚至可與現有的商業材料相媲美或優于商業化正極材料。

值得注意的是，本文再生從涉及乙酸的浸出開始，突破現有的“萃取-沉淀-煅燒”傳統工藝，采用“浸出-沉淀”的全新工藝，可以目前將LIBs和SIBs的制造成本每千瓦時（kWh）降低21.65和41.67美元。

結果顯示，本文通過“浸出-沉淀”工藝，獲得的鋰離子電池三元正極材料已經實現了2.73 mAh cm^-2的可逆面容量,?且通過改變螯合劑，選擇性沉淀出不同的正極材料。

圖1、高價值元素的提取?? 2024 Springer Nature

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圖2、用于LIBs的再生正極材料制備及其電化學性能? 2024 Springer Nature

以通過醋酸螯合的方法控制結晶過程為例，作者制備出一個具有明確晶格條紋的普魯士藍類似物（PBAs），將其用于鈉離子電池（SIBs），經過2000次循環后還能實現83.7%的容量保持率，這一性能也滿足了現有的對于SIBs正極材料循環壽命的需求。

圖3、用于SIBs和ZIBs的再生正極材料制備及其電化學性能? 2024 Springer Nature

圖4、本文再生技術的經濟性評估? 2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

綜上所述，隨著電池發展的多樣化，研究人員提出的策略既能實現全面的可持續性，也能夠降低成本和環境影響。特別是，向后鋰離子電池（SIBs，ZIBs）的再生正極涌現大大減少了對人類健康、環境和自然資源的影響，同時制造成本大大降低。這些通過回收過程過渡到鋰離子替代技術的嘗試，將為解決電池可持續性和可負擔性問題提供一種有前途的方法，進一步走向可持續發展之路。

文獻鏈接：“Sustainable regeneration of spent cathodes for lithium-ion and post-lithium-ion batteries”（Nature Sustainability，2024，10.1038/s41893-024-01351-5）

本文由材料人CYM編譯供稿。