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編者按：2023年5月起，“學(xué)習(xí)強國”學(xué)習(xí)平臺與中國科學(xué)報社聯(lián)合發(fā)起“科學(xué)家回信”活動，邀請廣大讀者向自己心中向往尊敬的科學(xué)家、科技工作者提問、留言?；顒訂雍?，“學(xué)習(xí)強國”“科學(xué)網(wǎng)App”收到了讀者的踴躍留言。我們精選了讀者王炳韌的提問，請長期從事儲能用碳材料和先進(jìn)電池研究的清華大學(xué)教授康飛宇發(fā)出第五十三期回信。
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讀者王炳韌：廢棄鋰電池如何處理？
康飛宇：隨著便攜式電子設(shè)備、電動車和新能源存儲的快速發(fā)展，高性能鋰離子電池自2010年以來得到了廣泛應(yīng)用。預(yù)計到2030年，全球?qū)︿囯x子電池的需求將達(dá)到3000吉瓦時。然而，鋰離子電池的服役壽命一般為8～10年，這意味著未來每年都會產(chǎn)生數(shù)以千萬噸計的廢舊鋰離子電池。
回收廢舊鋰離子電池在節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面具有重要的意義。首先，全球用于制造這些電池的關(guān)鍵材料如鋰、鈷、鎳等資源非常稀缺，且價格昂貴，會影響新能源行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。其次，廢舊電池含有大量有害成分，如重金屬、可燃液體、含氟化合物、碳材料和難降解塑料，不當(dāng)棄置會帶來安全風(fēng)險和嚴(yán)重環(huán)境污染。最后，這些退役的電池中很多材料還可以再次利用，不僅可以節(jié)約再制造過程的能源使用，還減少了環(huán)境壓力，并具有顯著經(jīng)濟(jì)價值。
廢舊鋰離子電池的回收包括三個部分，電池二次利用、電池材料分離和回收材料的進(jìn)一步處理。首先，篩選出狀況較好的電池可以再次用于對安全性要求較低的場合，比如，電動自行車和家用儲能系統(tǒng)。對于無法進(jìn)行二次利用的電池，通過一系列操作，如放電、粉碎和分離來提取各種材料。分離出的材料的處理方法主要取決于材料本身，其中大部分工作聚焦于價值較高的正極材料的處理，包括升級改造、修復(fù)、元素提?。回?fù)極石墨材料的處理方式包括修復(fù)、轉(zhuǎn)化為碳材料。
目前，鋰離子電池的回收技術(shù)處于快速發(fā)展階段。在2020年以前，研究主要集中在如何高效回收廢舊鋰離子電池中的貴重金屬。這些技術(shù)已在工業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用，回收率接近最高（編者注：回收廢舊鋰離子電池中的貴重金屬的回收率并非100%，但通過采用合適的回收技術(shù)和工藝，可以最大程度地回收廢舊鋰離子電池中的貴重金屬）。未來需要進(jìn)一步降低能源和化學(xué)品的消耗。
自2020年起，伴隨國家政策的支持，研究人員開始探索如何修復(fù)和改進(jìn)失效的電池正負(fù)極材料，以提升其電化學(xué)性能，以便再利用。同時，還有研究將回收材料改進(jìn)，制成適用于新一代高效電池的材料。這些修復(fù)和升級改造技術(shù)的關(guān)鍵在于如何獲得高純度材料。
我們團(tuán)隊采用的是一種電池逆向制造的回收技術(shù)，自動化地把廢舊電池拆成極片和其他材料。我們遵循“金字塔模式”來逐級回收電池所有部分，確保所得組件和材料純度高，便于再利用。2023年，我們將拆解的電池正極、隔膜、負(fù)極直接修復(fù)后，生產(chǎn)出來的新電池容量可以恢復(fù)至接近理論值（編者注：電池的理論值指的是電池在全新、未使用且完全健康狀態(tài)下所能達(dá)到的最大容量。拆解的電池正極、隔膜、負(fù)極經(jīng)過修復(fù)后生產(chǎn)出的新電池容量時，如果提到其容量可以恢復(fù)至接近理論值，意味著經(jīng)過修復(fù)的電池在容量上幾乎可以達(dá)到與新電池相當(dāng)?shù)乃?，修?fù)過程非常成功，能夠有效地恢復(fù)電池的性能）。這種修復(fù)法相比于傳統(tǒng)元素提取工藝，經(jīng)濟(jì)效益提高了33%，能耗降低了48%，碳排放減少了62%。目前，我們正專注于如何設(shè)計易回收電池并且對廢電池反復(fù)修復(fù)，從而最大程度延長電池生命周期。
要打造一個更綠色和可持續(xù)的新能源產(chǎn)業(yè)，電池回收工作需要做好以下五個方面：1.建立電池護(hù)照體系，規(guī)范退役電池的回收流程；2.通過政策鼓勵，促使企業(yè)和研究人員關(guān)注電池再利用的每個階段，確保從電池修復(fù)到元素提取的關(guān)鍵部分都合理規(guī)劃；3.制定涵蓋電池回收全流程的標(biāo)準(zhǔn)，推動標(biāo)準(zhǔn)化，以便行業(yè)快速進(jìn)步；4.支持成立第三方電池回收和評估機(jī)構(gòu)，專業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)評估將有助于突破技術(shù)壁壘；5.激勵電池制造商采用易回收設(shè)計理念，制造高性能且易于回收的電池產(chǎn)品。
責(zé)任編輯：賀治瑞
