近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士/王傑研究員和團隊，基於摩擦納米發電機的自驅動原理，成功構建一種廢舊磷酸鐵鋰電池回收系統。
利於該系統可以生成碳酸鋰和磷酸鐵這兩種回收中間產物，它們的純度分別達到 99.70% 和 99.75%，如此之高的純度非常利於後續生產。
圖 | 王傑（來源：王傑）
該成果不僅可以直接嫁接轉移到鋰電池回收企業之中，而且其中涉及的「新型電化學回收體系」「回收產物重新利用」「摩擦納米發電機」等前沿技術也具有單獨應用的廣闊前景。具體來講，主要包括如下部分：
其一，通過打造高效新型電化學回收體系從而用於正極材料的回收。目前，磷酸鐵鋰正極材料的回收主要以濕法回收為主，但是這種方法的工藝較為複雜，需要使用大量酸鹼試劑，很容易造成二次污染。而本次成果採用電化學法氧化食鹽水，利用生成的 Cl-/ClO-氧化還原對，實現磷酸鐵鋰正極材料的回收，這能降低化學試劑的用量及種類，能將濕法回收的 10 個步驟縮短為 4 個步驟，在簡化工藝流程的同時，還具備節能環保降成本的優點。同時，課題組最近的一系列工作表明，本次方法具有較好的通用性，能用於包括三元正極、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等一系列正極材料的回收。
其二，可用於回收產物的重新利用，從而助力新正極材料的製備。鑒於回收中間產物的純度較高，因此可以直接將其作為磷酸鐵鋰正極材料的前驅體，通過氣氛隧道爐燒結的方法，即可實現高性能磷酸鐵鋰的重新製備。
同時，由於這種原材料來源於回收的前驅體，因此所製備的磷酸鐵鋰正極材料具有非常高的性價比優勢。
其三，將摩擦納米發電機實現能源自給與系統自驅動。作為一種新型能量獲取器件，摩擦納米發電機具有體積小、重量輕、價格低廉、低頻高效等優勢，能將環境中廣泛存在的機械能比如風能、人體運動機械能、水滴能等轉換為電能。
同時，藉助其製備材料來源廣泛的優點，通過合理利用電池的廢棄材料，比如電池殼、鋁塑膜、集流體等，再將摩擦納米發電機作為電力補充，就能有效降低用電量，助力於提升系統的自驅動性能。
綜上，整合之後的自驅動磷酸鐵鋰回收系統，集成了新型高效的電化學回收體系，能夠實現回收產物的重新利用。其中，摩擦納米發電機等前沿技術，能夠直接遷移並用於電池回收企業。
在鋰電池全回收的實際應用中，本次系統具有較好的可行性，為廢舊鋰電池回收的設計原則提供了有力借鑑，預計能引起能源領域與可持續發展領域的廣泛關注。
（來源：Energy & Environmental Science）
高漲的鋰電池市場，欠佳的鋰電池回收
如今，隨著能源轉型及碳中和理念的深入人心，新能源汽車規模化生產與使用不斷提質加速，鋰電池作為新能源汽車的「心臟」也迎來爆髮式增長。
鑒於新能源汽車動力電池的平均使用壽命約為 6-8 年，動力電池在未來將迎來大規模退役潮。據預測，至 2025 年全球動力電池回收市場規模將由 2021 年的 55 億元迅速增長至 588 億元，至 2030 年將增長至高達 3000 億元。
雖然鋰離子電池在使用過程中不會產生有毒有害的物質，但如果不能對廢棄後的鋰離子電池進行正確、有效地處理，廢舊鋰電池中的電解液、重金屬、塑料等物質會給環境帶來重大的污染。
同時，廢棄鋰電池也是寶貴的金屬資源，其含有可觀的鋰、鎳、鈷、錳、銅、鋁等金屬元素。因此，不論是從環境保護還是從資源利用角度，都需要對廢舊電池進行回收再生。
目前，鋰離子電池回收方法主要有火法回收、濕法回收和直接修復等。但對於磷酸鐵鋰電池而言，其在回收利用方面面臨諸多挑戰。
首先，磷酸鐵鋰材料性能穩定，難於通過火法、濕法等方法回收。其次，傳統回收方式的工藝複雜、能耗較高，所得產物的純度較低。
再次，磷酸鐵鋰中的貴金屬含量較低，回收成本高但收益卻很低。
此外，傳統回收方式側重於回收金屬含量、以及經濟效益高的正極材料，對於附加值較低的負極材料、隔膜、電池殼等部件不能全面兼顧，這很容易造成新的環境問題。
因此，需要從磷酸鐵鋰電池回收的全局出發，開發一種簡單便捷的回收方式來實現回收產物的高值化。同時，對附加值較低的部件進行有效利用，從而拓展其用途。
（來源：Energy & Environmental Science）
基於摩擦納米發電機的電化學全回收
基於此，該團隊開展了本次課題。他們認為一個有意義的課題需要從社會生產的需求出發，聚焦於解決社會生產生活中的瓶頸問題，立足並發揮自身的優勢特長，最終實現科技突破與實用化。
由於該項目面向工業生產和社會生活的突出問題，因此在立項初期他們就設立了「立足鋰電回收，設計新模式，開發前沿科技」的理念。
同時，綜合該實驗室在鋰離子電池、摩擦納米發電機、自驅動系統、自驅動電化學的堅實基礎，他們選擇了「基於摩擦納米發電機的自驅動廢舊磷酸鐵鋰電池回收系統」這一課題。
該團隊的成員具有化學、材料、物理、電子、機械等多種背景，從事的研究課題也各有側重。通過此，他們將本課題的思維導圖清晰化，將研究目標從「電化學回收沉積」「自驅動電化學回收」進行不斷升華，直到提煉出最終的研究目標：「基於摩擦納米發電機的電化學全回收」。
（來源：Energy & Environmental Science）
研究中，課題組從磷酸鐵鋰電池回收的全局出發，展示了磷酸鐵鋰電池在回收過程中各組分的回收及再利用，系統解決了磷酸鐵鋰電池的回收難題。
即針對鋰電池回收領域存在的產物純度較低、工藝繁雜、能耗高、以及側重正極材料回收卻忽視其他材料的不足，他們通過開發新型電化學回收體系，對回收工藝進行簡化，從而有效提高回收產物的純度。並利用回收產物來重新製備磷酸鐵鋰正極材料，將其與廢舊石墨負極重新組裝全電池，實現了正負極材料的循環利用。
同時，其還藉助摩擦納米發電機材料來源廣泛的特性，利用廢舊的電池殼、隔膜、集流體等部件設計摩擦納米發電機，藉助摩擦納米發電機來收集環境中的機械能並將其轉化為電能，從而為電化學回收裝置供電，實現了自驅動廢舊磷酸鐵鋰電池回收系統的構建。
同時，由於化學試劑用量降低、工藝流程簡化、以及採用自驅動系統設計方法，這讓本次回收系統的產率得以提升，生產成本也得以降低。
（來源：Energy & Environmental Science）
王傑表示：「由於本研究涉及大量的驗證過程，因此每次在實驗室開始試驗，路過的研究室成員都會好奇地問東問西，比如這個瓶瓶罐罐是什麼？為什麼顏色會變黃？這個反應的原理是什麼？大家都像好奇寶寶一樣探索著未知。」而在做完一系列實驗之後，他們開始撰寫論文。
最終，相關論文以《利用摩擦電納米發電機自行回收廢舊磷酸鐵鋰電池》（Self-powered recycling of spent lithium iron phosphate batteries via triboelectric nanogenerator）為題發在 Energy & Environmental Science（IF 32.5），Zhang Baofeng 是第一作者，王傑擔任通訊作者 [1]，中國科學院院士王中林是共同作者之一。
圖 | 相關論文（來源：Energy & Environmental Science）
不過，在鋰電池回收上該團隊依舊處於剛起步的階段。隨著研究的深入，他們發現還有很多細分研究方向。
比如，對正極材料來說，雖然本次系統具備生成物純度較高、操作簡便等優點，但能否在不區分材料種類的情況下一次性高效回收所有元素？這依然是一個待解之題。
另外，對於電解液來講，能否尋找一種合適的催化劑，通過簡單的處理就能夠將其降解成無害的物質？以及鋰電池回收材料的出路到底在哪裡？更加高值化利用的途徑是什麼？能不能不做成電池或做成其他功能材料？這些都是他們即將探索的問題。
參考資料：
1.Zhang, B., He, L., Wang, J., Liu, Y., Xue, X., He, S., ... & Wang, Z. L. (2023). Self-powered recycling of spent lithium iron phosphate batteries via triboelectric nanogenerator.Energy & Environmental Science, 16(9), 3873-3884.