日前帽撑，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士祥扒、王杰研究員團隊基于摩擦納米發(fā)電機的自驅(qū)動原理详依，構(gòu)建出一套廢舊鋰電池回收系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)可生成能直接利用的高純度碳酸鋰买臣、磷酸鐵现蹂。在多項前沿技術(shù)加持下，該系統(tǒng)以摩擦納米發(fā)電機供電回收廢舊鋰電池，并將部分回收材料用于制造摩擦納米發(fā)電機宣吱，構(gòu)建了材料和能量的“雙循環(huán)”窃这。

“這是整合了‘新型高效電化學(xué)回收體系’‘摩擦納米發(fā)電技術(shù)’和‘回收產(chǎn)物再利用技術(shù)’等前沿技術(shù)的自驅(qū)動磷酸鐵鋰回收系統(tǒng)≌骱颍”王杰告訴《中國科學(xué)報》杭攻，“與傳統(tǒng)回收技術(shù)相比，該回收系統(tǒng)在環(huán)保和經(jīng)濟效益方面優(yōu)勢明顯疤坝≌捉猓”

鋰電池將迎來“退役潮”

當前，低碳發(fā)展的理念深入人心跑揉。新能源汽車锅睛、儲能等產(chǎn)業(yè)得到長足發(fā)展，鋰電池是主要動力或儲能設(shè)備历谍。鋰電池平均使用壽命為6至8年现拒，我們即將迎來大規(guī)模的鋰電池“退役潮”。

據(jù)中國汽車工程學(xué)會預(yù)測望侈，我國退役動力電池2023年將達到104萬噸印蔬，到2030年將達350萬噸。同時猛疗，動力電池所用的鋰铅州、鈷、鎳資源稀缺程度加劇定合，隨著全球電動化戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的加速溶瞬，資源短缺問題日益突出。

“如果不能正確喂惜、有效處理廢棄鋰電池鄙骏，電解液、重金屬服半、塑料等物質(zhì)會給環(huán)境帶來巨大壓力肾蕉。”王杰說乘澈，同時，廢舊鋰電池中有可觀的鋰扳九、鎳尝鬓、鈷、錳玖瘸、銅秸讹、鋁等金屬元素，是寶貴的資源。不論從環(huán)境保護還是從資源利用的角度看璃诀，都需要回收利用廢舊電池弧可。

但鋰電池回收問題重重。一是傳統(tǒng)回收方式工藝復(fù)雜劣欢，高能耗棕诵、高排放，還會帶來二次污染凿将。二是回收所得產(chǎn)物純度較低校套，多次提純會抬高成本。

目前牧抵，主流新能源汽車采用三元聚合物鋰電池(俗稱三元鋰電池)或磷酸鐵鋰電池笛匙。前者能量密度高、續(xù)航里程長犀变，后者安全性能更好妹孙。其中三元鋰電池因含有貴金屬原材料，人們對其回收意愿較強考叽，對該領(lǐng)域回收技術(shù)研究較多肢姜。而約占市場保有量六成的磷酸鐵鋰電池原料相對便宜，回收產(chǎn)物價值不高办轮、回收工藝復(fù)雜浓朋，沒有人愿意回收。因此枫欢，亟須開發(fā)一種簡單磨搭、便捷、環(huán)保又高效的回收方式返引。

王中林缭亦、王杰團隊開發(fā)的回收系統(tǒng)采用電化學(xué)法氧化食鹽水，利用生成的次氯酸進行氧化還原隔每，實現(xiàn)磷酸鐵鋰正極材料的回收培穆。這能降低化學(xué)試劑的用量及種類，將濕法回收的10個步驟減少為4個贼酵，在簡化工藝流程的同時節(jié)能環(huán)保糙笛、降低成本。

“按照現(xiàn)行工業(yè)標準烛愧，反應(yīng)物磷碳酸鋰和磷酸鐵純度達到99.5%就可以直接利用油宜。”王杰說怜姿，“我們這種方法回收產(chǎn)物的純度分別達99.70%和99.75%慎冤，可以省去高能耗、高排放的提純步驟，能直接利用蚁堤∽碚撸”

“跑題”討論引來“雙循環(huán)”研究

“一個有意義的課題需要從社會需求出發(fā)，聚焦于解決生產(chǎn)生活中的瓶頸問題披诗∏思矗”王杰說，“該項目立足自身優(yōu)勢藤巢，綜合實驗室在鋰離子電池搞莺、摩擦納米發(fā)電機、自驅(qū)動系統(tǒng)掂咒、自驅(qū)動電化學(xué)方面的積累抛现，通過多項前沿技術(shù)疊加，最終獲得突破并實用化谊阐〖址矗”

其研究思路的緣起，來自團隊3年前一次頭腦風(fēng)暴時話題“跑偏”的討論和此后將多項前沿技術(shù)疊加創(chuàng)新的嘗試它蛔。

王中林帶領(lǐng)團隊長期從事摩擦納米發(fā)電機相關(guān)研究七萧。制造摩擦納米發(fā)電機的材料廣泛，為了降低成本首袍，他們曾研究過用廢舊回收材料制造摩擦納米發(fā)電機憋勇。

“一開始，為了尋找替代材料衰呢，我們嘗試過多種回收物品夫凭，比如用牛奶包裝盒上的鋁塑膜、可樂罐的鋁材等作為摩擦納米發(fā)電機的原料猪出「痉Γ”王杰說。

在一次頭腦風(fēng)暴中鬓催，團隊成員張寶峰提出廢舊鋰電池中有很多可回收金屬和有機薄膜肺素，能用作摩擦納米發(fā)電機原料。接下來的討論就有點“跑偏”宇驾，大家七嘴八舌一陣討論后倍靡，形成的共識竟是——鋰電池回收可能會成為一個有很大需求的領(lǐng)域。

王杰曾進行過能源存儲技術(shù)研究课舍，后來到北京納米能源與系統(tǒng)研究所跟隨王中林研究摩擦納米發(fā)電機菌瘫，并利用納米發(fā)電機收集環(huán)境能量給各種移動傳感器、可穿戴設(shè)備供電布卡。但環(huán)境能量總會遇到不穩(wěn)定因素，需要用鋰電池進行儲能“緩沖”。該團隊中專門研究鋰電池的博士和博士后對鋰電池的深入了解忿等，讓他們相信自己的判斷栖忠。此后對回收鋰電池行業(yè)的調(diào)研也證實了上述想法。

進一步的分析中贸街，團隊認為電化學(xué)回收是一個不錯的回收方式庵寞，但缺點是耗電量較大。

“我們就是搞發(fā)電的薛匪，所以當時就想把電池技術(shù)朗溶、摩擦納米發(fā)電技術(shù)和電化學(xué)回收技術(shù)疊加起來，看能不能找出結(jié)合點腥默，把這套回收系統(tǒng)做出來彼窥。”王杰說匿微。

技術(shù)沉淀和拓展

團隊成員具有化學(xué)写阐、材料、物理翎味、電子蝉择、機械等多學(xué)科背景。

一開始民逾，團隊分析認為蛀植，構(gòu)建這個“雙循環(huán)”的基礎(chǔ)是電化學(xué)回收過程中正極材料的選擇。因為反應(yīng)過程要氧化還原磷酸鐵鋰垫凝。電場雖然是非常好的“還原劑”填要，但磷酸鐵鋰不溶于水，直接電化學(xué)反應(yīng)無從談起澜驮。

“我們和電場打交道很多陷揪，對電化學(xué)比較了解，堅信沒有電場氧化/還原不了的東西杂穷。如果不能直接氧化還原悍缠，就需要找到一個‘中間體’∧土浚”王杰解釋說飞蚓，“如果能找到一種溶劑作為‘中間體’，形成另外一種液態(tài)氧化劑廊蜒，再去氧化還原磷酸鐵鋰趴拧，就能讓反應(yīng)順利進行∩蕉＃”

經(jīng)過數(shù)月的篩選和實驗著榴，團隊發(fā)現(xiàn)次氯酸可以達到上述要求添履，而次氯酸又可以通過氯化鈉溶液在電場中產(chǎn)生。磷酸鐵鋰粉末被次氯酸包覆脑又，然后進行反應(yīng)暮胧。但次氯酸沒有顏色，無法直觀判斷噪终，研究人員又去尋找指示劑磕泡。經(jīng)過一番實驗調(diào)試，他們最終將碘化鉀溶液作為指示劑痒蛇，完美解決了這一問題萎括。

反應(yīng)能進行下去了，團隊又發(fā)現(xiàn)了新問題俺下。為了實現(xiàn)盡可能多地回收磷酸鐵鋰巡蛋，實驗中要有足夠多的電量。但團隊以前的研究專注于“單位面積的輸出”块启，為滿足電化學(xué)反應(yīng)需要嚣刺，他們重新研制了一臺直徑約30厘米的旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機，并通過優(yōu)化輸出和降壓增流措施魔踱，滿足了實驗需要揪孕。

在此基礎(chǔ)上，團隊通過技術(shù)沉淀和拓展桶求，將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用在三元鋰電池回收上梧杯。目前，該團隊已經(jīng)在實驗室完成了廢舊三元鋰電池的回收薯演。

“目前撞芍，該項技術(shù)還處于起步階段，有很多地方需要進一步完善跨扮。我們的目標是進一步做深序无、做細電化學(xué)回收，將其拓展成通用技術(shù)衡创，用這種模式回收其他鋰電池帝嗡。”王杰補充說璃氢，“我們計劃完成更多鋰電池材料哟玷，包括封裝材料、電解液等的回收利用一也。這樣巢寡，鋰電池用完后就能完全無害地回收利用∫叮”這對ups電源暨新能源儲能行業(yè)的儲能鋰電池回收利用提供了又一新的渠道方法抑月。