锂电池回收全新路径？美国能源实验室为何热衷电池回收技术？

科技 07-02 来源：能源大观

NREL的储能团队的材料特性研究人员正在研究一种可回收的锂电池材料技术。锂离子电池每次充电、放电和使用都会影响材料的结构和电池的寿命，导致电池性能下降，直到不再使用。

正如人类无法逃避老化过程一样，电池也无法逃脱。然而，NREL的研究人员希望找到一种方法来从这些电池中回收材料，即使它们的使用寿命已经被考虑过了。

从用过的锂离子电池中回收关键材料的能力可能是使电动汽车（EV）更便宜的关键，本质上，也是让更多的电动汽车上路的关键。

如今，锂离子电池是众多便携式电子产品（如智能手机、笔记本电脑和平板电脑）的主要电源，消费者一直使用这些产品，除了电动工具和其他个人、商业、工业和军事应用以外，它们的需求也在不断增长。

预计到2030年，全球电动汽车销量将从2017年的110万辆增长到3000万辆。（1）预计全球电池材料（如锂、钴、锰、镍和石墨）的生产需求将增长，以满足需求。事实上，电动汽车对锂离子电池的需求增长可能会使电动汽车成为钴和锂的最大最终用户。这给这些关键材料的供应带来了一个特殊的风险——一个具有经济、环境和国家安全影响的风险，以及回收和回收在帮助解决这一问题中可能发挥巨大作用的风险。

锂电材料中的微观世界

事实证明，仔细观察锂离子电池可能是大规模采用锂离子回收的关键。与回收率为99%的铅酸电池不同，锂离子电池的回收率低于5%。锂离子电池关键材料的回收率甚至更低。NREL致力于提高回收率的一种方法是利用一种已建立的成像工具——电子背散射衍射（EBSD）——实现创新目的。

"通过扫描电子显微镜（SEM）进行电子衍射是一项成熟的技术，"NREL高级科学家、分析显微镜专家Helio Moutinho说。但我们在NREL是第一个使用它来分析微观水平的电池的公司。"

今天产品中使用的锂离子电池展示了许多不同的化学成分，这对有效和经济的回收构成了独特的挑战。初始化学的这种变化是由于电池在其使用寿命中的使用方式的变化而加剧的，当锂离子材料达到其使用寿命时，其结构和化学性质会有很大的差异。与铅酸电池不同的是，锂离子电池可能没有一种最佳的、一刀切的回收方法。

利用EBSD，结合扫描电镜和能量分散X射线光谱，NREL研究人员可以清楚地识别锂离子电池在使用寿命结束时的结构、化学变化、晶粒取向和裂纹形成。这项研究旨在弥合基础科学研究和工业之间的鸿沟，最终可能成为生产线上工业的有用工具。

穆蒂尼奥说："希望我们的技术能成为未来锂离子电池回收工作的分类诊断工具。"通过仔细观察，我们可以根据每个电池中的情况推荐不同的回收方法，然后重新调整关键材料的用途，以获得第二次使用寿命。"

考虑循环经济

在可再生能源技术领域，考虑寿命终止效应正成为新可再生能源设计可行性的重要要求。研究人员越来越多地强调，新技术的可行性是基于它们被回收甚至更新的潜力。

设计循环利用的想法并不新鲜。它已经存在几十年了。循环经济框架是围绕着废物设计和废物再利用的原则来组织的。通过提前考虑寿命终止问题，NREL研究人员正在努力减少浪费，并在未来缓解关键材料供应问题。

NREL的马吉·曼（MaggieMann）认为，电池回收利用可以提高美国在全球市场的制造竞争力。

NREL运输和氢系统中心的运输基础设施分析团队Mann说："车辆和固定能源储存的电池制造市场正在增长。"专注于电池回收利用可以提供竞争优势，因为它使美国能够可靠地获得电池制造所需的原材料。"

创新解决方案现金奖励

将旧的锂离子电池安全运出人们的房子和电动汽车运到回收设施仍然是一个重大挑战，美国能源部（DOE）希望在几年内解决这一问题。能源部正在向创新者、企业家、企业、研究人员、大学和提出最有前途解决方案的科学家提供现金。

今年2月，能源部推出了锂离子电池回收奖。这是一个分三个阶段的550万美元的奖金竞赛，旨在激发在美国安全有效地收集、分类、储存和运输废弃锂离子电池的方法方面的创新。其目的是寻找能够捕获全国90%锂离子电池最终回收利用的概念。回收这些电池的关键材料最重要的是，随着对这些汽车需求的增加，钴对于保持国家电动汽车的竞争优势至关重要。

"NREL的供应链分析表明，到2025-2030年，回收利用可以提供三分之一的锂离子电池负极材料，"NREL的首席储能工程师艾哈迈德·佩萨兰说。然而，美国收集和运输锂离子电池到回收设施的基础设施是有限的。找到收集大量废旧电池的方法可能是帮助在全国推广新的回收技术的关键。"

通过广泛的网络传播，该奖项从所有行业的每个人那里寻求一系列富有想象力的想法。该奖项使用了五种不同的轨道，这被认为是广泛回收锂离子电池的主要障碍，申请人可以选择申请单轨或多轨。

"我们正在寻找技术解决方案和业务解决方案，"Pesaran说。有了这个奖品，每个人都有了空间。"