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滑铁卢大学陈忠伟教授团队AM:正极直接再生技术实现废弃锂电池闭环回收

时间：2023-04-14 来源：浏览：

滑铁卢大学陈忠伟教授团队AM:正极直接再生技术实现废弃锂电池闭环回收

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【研究背景】

随着“2060碳中和”目标的公布，新能源汽车成为越来越多中国人日常日常出行的主要方式。即使受到新冠疫情和芯片短缺的影响，基于锂离子电池的新能源汽车全球销售量仍超过550万辆，占全球汽车销量的10%以上。新能源车销售量不断创新高的同时，配套的锂电池数量也不断刷新记录。预计LIBs的全球市场将以14.6%的复合年增长率增长，到2026年将达到近920亿美元的规模。

通常来说，锂离子动力电池的服役寿命约为5~7年。预计到2030年，全球锂离子电池回收市场将达到181亿美元，以8.2%的复合年增长率增长。可持续发展要求我们去妥善处理报废的锂离子电池，避免造成二次环境污染，同时回收其中的高价值过渡金属。目前锂电池退役后的两条主要去处：一个是梯次利用于低功率储能领域，变相延长电池的使用寿命；另一个是通过火法冶金或湿法冶金进行资源回收再生。2022年中国锂电池回收市场回收处理废旧锂电池量为41万吨，同比增长37%。其中，梯次利用的电池量4万吨，用于拆解再生的退役锂电池量37万吨，得到的黑粉（回收的活性材料粉末）大约为32.5万吨。三元黑粉处理量21.5万吨，铁锂黑粉处理量11万吨。如何高效的回收三元黑粉显得尤为重要。与其他回收方法相比，直接正极再生技术在恢复材料性能、减少碳排放和缓解原材料短缺方面具有巨大的商业价值。

【研究工作】

近日，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士课题组从商业化可持续回收的角度概述了对三元黑粉的直接再生技术，并将直接再生工艺与商业正极生产工艺进行了比较，以突出技术挑战、现状、供应链、碳足迹，以及直接回收的可能性解决方案。从经济学角度，提出利用对破产正极制备企业进行改建，建立正极直接再生生产线，避免重复建设，降低回收成本的方案。此外，还进一步考虑了正极直接再生方法对环境、经济和政治影响，从中讨论了回收技术是否有利可图和可持续，是否可以形成从废锂离子电池到全新锂离子电池的闭环回收路径。该文章发表在国际顶级期刊 Advanced Materials 上。杨庭舟为本文第一作者。

【内容表述】

图1 废弃锂电池回收的必要性。（a）根据比亚迪全球锂离子电池数据库，依据锂离子电池有限的五年服务期，预计未来七年锂离子电池的报废容量。正极生产的供应链是漫长而复杂的。由于锂电池需求的快速增长，Co和Li的价格在2021年飙升至每吨8万美元和20万美元左右。80%的锂矿由澳大利亚和智利控制，而全球70%的钴矿产量来自刚果民主共和国。硫化物矿石主要分布在俄罗斯、加拿大和南非等国家，价格飙升可能是储能市场的下一个主要问题，威胁到全球向电动汽车的过渡。此外，大多数矿产精炼设施都位于中国，将矿石转化为金属硫化物结晶过程成本高昂且是能源密集型产业，将会产生4-5倍于此的废物和大量的废水。(b) 正极制造商也分布在全球各个国家，产生的二氧化碳总排放量为73 kg kWh ^-1 ，直接能耗为228 MJ kWh ^-1 ，占电池累计能量需求的47.7%，碳足迹的43.0%。

图2 不同的阴极材料具有不同的晶体结构和电池化学性质，在回收过程中应根据其独特的结构进行妥善处理。在拜访了中国的多个锂电池回收商后，即使支付了费用，回收价格也仅为全新锂电池的5-10%，突出废弃锂电池回收利润率大。值得注意的是，电池盒、电流收集器和塑料都是有利可图的。

图3 商业三元黑粉回收流程。与铅酸电池不同，目前用于回收锂电池的过程要复杂得多。根据Thompson等人的分析，废锂电池的处理成本需要控制在2-6美元/公斤，以实现无“门费”的处理。废锂电池的预处理主要包括四个过程:稳定、拆解、粉碎和分离。对于大多数电池回收商来说，获取三元黑粉是最后一步，它们被储存在仓库或运往冶炼厂。如何从黑色物质中分离阴极废材料对于阴极的直接再生尤为重要。

图4 目前工业化的阴极直接回收工艺主要有三种，一种是直接补充锂原，然后高温退火；一种是水热法补锂后高温退火；另外一种是先湿法冶金溶解各种高价过度金属，然后配平沉淀，补充锂原后再进行高温退火。

【总结和展望】

锂离子回收是预防环境污染、维持未来供应链和促进循环经济的有力候选者。原则上，所有的电池组分都可以回收，并且具有类似于全新材料的晶体形态的再生正极材料可以重新组装到新锂电池中去。在温和的工艺条件下，快速、有效、安全、环保的直接正极回收方法是一种有潜力的工艺，需要进一步开发。此外，物理或化学分离产生的有机物和金属杂质（如PVDF粘合剂和Al颗粒）将会污染制备的再生正极材料，导致较低的电化学性能。可以通过机器人拆卸和优化电池结构来得到纯度更高的正极材料。随着政府对电动汽车的补贴和税收优惠被大幅削减，将会推动电动汽车行业来提高汽车的性能、安全性和质量。在未来十年内，近90%的正极制备企业不能适应这一变化，将被市场淘汰。如果这一类企业能够转型为回收型制造商，对于即将到来的大量退役动力电池来说，是一个突破，也是企业生存的机会。特别是对于正极制造商来说，相似的再生过程加上环境费补贴，将有助于生产线更加灵活，并降低运营成本。北美和欧洲的电池制造商的供应几乎完全依赖于亚洲的正极材料的交付，相邻的直接正极回收制造商可以进一步减少运输和精炼产生的碳足迹。此外，直接正极再生工艺是可持续电池价值链的重要组成部分，可以创造循环和“闭环”，以抵消原材料短缺对电池成本的影响，最大限度地减少对环境的影响。

Tingzhou Yang, Dan Luo, Aiping Yu, Zhongwei Chen, Enabling Future Closed-loop Recycling of Spent Lithium-ion Batteries: Direct Cathode Regeneration, Advanced Materials, 2023.

https://doi.org/10.1002/adma.202203218

作者简介

陈忠伟教授，加拿大滑铁卢大学化学工程学院和纳米技术工程中心教授，应用纳米材料与清洁能源实验室主任，滑铁卢大学电化学能源中心主任，加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，加拿大国家首席科学家（Canada Research Chair, Tier 1），国际电化学能源科学院（IAOEES）副主席。陈忠伟院士团队常年致力于先进材料和电极的发展用于可持续能源体系的研发和产业化，包括燃料电池，金属空气电池，锂离子电池，锂硫电池，液流电池，固态电池，CO ₂ 还原等。陈忠伟院士以第一作者或通讯作者身份在Nat. Energy, Angew. Chem. Int. Edit., Adv. Mater.等国际顶级期刊发表论文400余篇，被引用54000余次, H因子118；申请/授权美国、中国和国际发明专利70余项，多项成果实现产业化转化和应用。

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