科研團隊研發電池回收新技術,利用等離子體清理再生正極材料

2022年02月24日20:58

隨著近年來電動汽車的高速增長,動力電池將迎來第一波退役回收潮,前景廣闊的電池回收市場迫切需要更具成本效益的回收技術。

近日,普林斯頓大學的研究人員開發了一種低成本、可持續的方法來利用舊電池製造新電池,併成立了一家初創公司Princeton NuEnergy。

Princeton NuEnergy的聯合創始人兼CEO、普林斯頓大學機械與航空航天工程系博士後閻超表示:“人們願意將閑置的廢電池交給我們,從我們這裏收到新的正極原材料來製造新電池,比他們自己製造新電池的成本更低。”

Princeton NuEnergy研究人員開發的技術結合了不同領域的專業知識,以解決一個長期存在的問題:如何將廢棄正極材料或者鋰電池中含有鈷、鎳、錳和鋰等元素的昂貴材料轉化為新的正極。

目前,回收鋰電池的技術依賴於刺激性化學物質和高溫、高能密集型工藝,以此將廢舊電池分解為元素成分。這種工藝在商業上以環保的方式擴大規模一直具有挑戰性。

與之相反,Princeton NuEnergy是以直接回收的形式對正極本身進行升級和更新。該團隊的方法可以恢復使用過的正極大部分的結構和成分,包括鈷和鋰。據研究人員介紹,這種生成新正極材料的方法可減少約70%的用水量、80%的能耗和排放量。

研究人員拿著從回收過程中提取的原料
研究人員拿著從回收過程中提取的原料

這種技術的核心在於使用低溫等離子體,這是一種反應性極強的電離氣體,可以其特性進行化學反應,以此去除正極粉末中的汙染物。否則,處理這些汙染物需要非常高的溫度,並且會大量分解材料。該團隊可在不破壞正極材料的情況下對其進行清理,具體方法為機械分離正、負極材料,並使正極粉末通過等離子體反應器以去除使用電池時產生的汙染。

以往的電池回收技術需要通過機械粉碎和熔煉電池材料分離出單個元素,或是將電池溶解在強酸中。這類基於酸的技術會產生大量金屬,從而抵消了最初用於生產正極的所有工作。這些方法被認為是間接的,因為這隻是將電池材料分解成元素成分,而不是將其重構、再生成新的電池材料。在廢舊電池的使用週期中,會從正極材料中流失一些鋰,因此研究團隊將少量鋰添加回再生出的正極粉末中,生產出比全新正極材料更便宜的材料。

“如果你有一塊麵糰,你可以試著輕輕揉捏它並賦予它不同的結構,但基本上不要去管它。”Princeton NuEnergy聯合創始人兼技術顧問Bruce Koel解釋道,“你不該去破壞它或將其分解成麵粉和黃油。”

目前美國只有約5%的廢舊鋰電池得到了回收。根據普林斯頓大學的美國淨零排放研究,想要在本世紀中葉達到淨零排放,意味著電動汽車的數量將從今天的大約100萬輛增加到2.1億-3.3億輛。電動汽車電池的使用壽命為5-10年,每輛車大約有3000個電池單元(具體取決於型號)。IHC Markit的分析預計,目前約有100億(約46.5萬噸)廢舊動力電池需要處理,預計到2025年這一數字將增長到290億。

考慮到電池回收領域的熱潮,擁有競爭性技術的公司可能會湧現,Princeton NuEnergy正在尋求擴大生產規模。來自台灣的緯創綠色科技公司(Wistron Greentech)最近與其合作啟動了一個試點項目,該公司是科技公司主要的廢物處理商之一。

Princeton NuEnergy目前正在該公司德克薩斯州的工廠建設一條加工線,計劃在2022年將產量提升到每天至少一噸。一條曾用於從電子產品印刷電路板中回收黃金的生產線將被改造為Princeton NuEnergy的電池回收加工線。從黃金到鋰、鈷等電池材料,這也體現了當下市場需求的轉變。

“我們認為,將該技術應用在一個真正的工業項目中會是一個巨大的機會,這將使我們能夠大規模回收和重新利用鋰電池。”閻超說道。

Koel表示,擴大這一技術規模,不僅可以緩解進口礦產的供應鏈問題,還可以降低對過度開採地區的礦產需求,這些地區的環境和勞工問題普遍較嚴重。例如,正極的關鍵成分鈷大多產於剛果,那裡的採礦業存在大量童工問題。

目前,該團隊研發出的再生正極在小型紐扣電池中的測試性能十分出色。研究人員希望在幾年內繼續提高回收能力,並從消費類電子產品電池擴展到電動汽車電池,甚至可能擴展到使用再生材料製造全電池。

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