Science子刊,锂电回收新方法!


1.【导读】

电池金属对商业化二次锂离子电池中电极材料来说至关重要,特别是锂、钴、镍、锰等。从自然储备中获取电池金属长期且不可持续,不断增长的资源需求和可预见的储量短缺激励人们从其他资源(如废旧锂电池)中回收电池金属。废旧锂电池是一种很有前途的电池金属供应替代资源,预计到2030年,全球废旧锂电池金属市场将达到约228亿美元。目前,废旧锂电池中回收电池金属的工艺方法主要包括高温冶金法、湿法冶金法、生物冶金法和电化学萃取法等。但这些方法存在不同程度的环境污染和经济成本问题,制约了电池金属回收的进一步发展。因此,需要发展一种快速有效的回收方法,能够在保持环境友好的同时,实现不同电池金属的高可提取性和回收率

2.【成果掠影】

基于以上研究背景,美国莱斯大学Boris I. YakobsonJames M. Tour教授(共同通讯作者)等人通过脉冲直流闪蒸焦耳加热(FJH的方法对酸浸前的正负极混合物进行活化,极大提高了离子的浸出动力学,并且实现了不同化学性质电池金属的高回收率。相关研究成果以“Battery metal recycling by flash Joule heating”为题发表在最新一期Science Advances期刊上。

3.【核心创新点】

  1. FJH超快高温活化处理后,离子浸出动力学提高约1000倍,且适用于不同电池金属的高回收率。
  2. 相比现有其他回收工艺,FJH活化策略具有显著的环保和经济成本优势。

4.【数据概览】

1. 黑色物质中酸萃取电池金属© 2023 AAAS

(A)各种黑色物质中HCl可萃取电池金属含量(1 M HCl, 50℃)和电池金属总量(王水,50℃)以及1 M HCl对黑色物质电池金属的回收率。

(B)BM-1中pH对锂和过渡金属浸出率(HCl (aq), 50°C)的影响。

(C)BM-1和原始LiCoO2的高分辨率Co 2p光谱。

(D)金属及其相应金属化合物在1 M HCl中溶解的吉布斯自由能。

(E)BM-1的高分辨率C 1s光谱。

(F)BM-1的扫描电镜(SEM)图像。

(G)CO和不同金属氧化物的Ellingham氧势图。

(H)不同电池金属与碳的蒸汽压力-温度关系。

2. FJH活化提高不同黑色物质中电池金属的回收率© 2023 AAAS

(A)FJH活化过程中相关的时间和温度图表。

(B)黑色物质的FJH活化示意图,电阻性正极颗粒呈现局部热点。

(C)有无FJH活化的酸浸结果。

(D)FJH活化条件为80 V, 0.11 s时的电流-时间曲线。

(E)FJH活化条件为80 V, 0.11 s时的实时温度测量。

(F)FJH活化的BM-1中,HCl萃取(1 M, 50°C)的电池金属含量、回收率(Y/Y0)的增加与FJH电压的关系。

(G)FJH活化的BM-1中,HCl萃取(1 M, 50°C)的电池金属含量、回收率(Y/Y0)的增加与FJH活化时间的关系。

(H)FJH活化后的黑色物质中HCl(1 M, 50°C)可提取的电池金属含量和各种黑色物质中电池金属的总定量(王水,50°C),以及不同FJH活化的黑色物质中1 M HCl对电池金属的回收率(Y)。

(I)不同浸出剂对锂和过渡金属回收率的比较。

3. FJH活化提高电池金属可萃取性的机理。© 2023 AAAS

(A)1M HCl溶液中(50°C)BM-1和FJH活化后BM-1的动态浸出回收率比较。

(B)动态锂浸出速率与浸出液中Li+浓度的关系。

(C)动态过渡金属浸出速率与浸出液中总过渡金属离子浓度的关系。

(D)FJH活化BM-1(1 M HCl, 50°C)中Co2+、Co3+浓度与闪蒸电压的关系。

(E)标准温度压力下,原始和FJH活化后BM-1的氮气吸脱附曲线及比表面积计算。

(F)FJH活化后BM-1的XRD谱图。

(G)FJH活化产生的气态物质。

4. FJH活化的黑色物质的微观表征。© 2023 AAAS

(A)FJH活化的BM-1 HR-TEM图像。

(B)FJH活化的BM-1 TEM图像。

(C)模拟2500 K下退火9 ns时,Li+渗透的部分石墨化非晶态碳结构,其中绿线为计算得到的Li+轨迹。

(D)FJH活化的BM-1二次颗粒微观形貌及相应的元素分布。

(E)FJH活化的BM-1初级颗粒纳米形貌及相应的元素分布。

5. FJH活化回收工艺的经济性与环保性分析。© 2023 AAAS

不同废旧锂离子电池回收路线工艺流程图的对比:

(A)湿法冶金法。

(B)高温冶金法。

(C)FJH活化回收法。

(D)不同工艺处理1 kg废电池,12 M浓盐酸的用量对比。

(E-H)不同工艺处理1 kg废电池再回收生产~0.35 kg正极材料,用水量、能耗、温室气体排放和成本的对比分析。

5.【成果启示】

近年来,超快、可控和节能的电加热被用于进行材料合成和加工方面的探索。像碳热冲击以及该工作中使用的闪蒸焦耳加热(FJH)工艺,已被用于合成各种具有有趣结构和成分的纳米材料,如高熵合金和涡轮状石墨烯。以本工作为例,FJH超快的升温和淬火过程可以瞬间提温至2100 K, 促进了电极材料中难溶物的热解和难溶金属化合物的热还原,也缓解了锂等挥发性金属元素的损失,极大提高了金属离子后续的浸出动力学,保证电池金属的回收率。并且,相比锂电池回收的现有工艺展现出显著的环保和经济优势。该工作不仅为锂电回收提供了新方法,也拓展了超快加热工艺的应用,对于可编程超快加热/降温工艺的发展具有重要的推动意义,也为其在其他方面的应用提供了有益借鉴

原文详情: Weiyin Chen et al. ,Battery metal recycling by flash Joule heating. Sci. Adv.9, eadh5131 (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh5131.

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh5131

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