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锂离子电池回收技术新进展

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锂离子电池回收技术新进展

全球对锂离子电池的需求呈指数级增长,由于锂离子电池的需求量可能超过关键电池组件和原材料的供应量,因此预计锂离子电池回收技术会迎来关键的拐点。

到 2027 年,全球由锂离子电池供电的电动汽车市场预计将增长到 8580 亿美元。 而业界认为,全球仅回收了 5% 的锂离子电池。 从历史上看,锂离子电池的回收利用一直受限于原材料价格波动、回收利用工厂的缺乏以及相关监管的缺失。 然而,回收方法的进步、高增长潜力和稀有金属的固定数量使回收更具吸引力,预计到 2030 年市场规模将达到 130 亿美元

目前的锂离子电池回收技术

如今,主要有三种电池回收方法 (图1),其中湿法冶金和火法冶金的联合是主要的回收形式。 由于成本和复杂程度较低,湿法冶金和火法冶金的研究文献和专利数量呈指数级增长 (图2)。 湿法冶金利用溶液(主要是水溶液)从电池中提取和分离金属。 火法冶金是利用热量将电池材料中使用的金属氧化物转化为金属或金属化合物。 直接回收是去除阴极材料,以便再利用或修复。

锂离子电池回收图 1
图 1
锂离子电池回收图 2
图 2

为什么直接回收法是最好的技术?

直接去除阴极材料以进行再利用或修复是理想的选择,因为回收者可以通过更低的能耗、试剂和固定的设施成本保持晶体结构完整。 然而,直接回收需要更多的人工成本,并且对电池回收条件有更高的门槛要求。 一直以来,阻碍锂离子回收的主要挑战是电池设计缺乏统一性,以及将电池转化为金属原料所需的水力和热力需要付出大量成本。 最近的一篇论文披露了一种新方法,新方法能提供当前被使用的回收方法在之前无法提供的工作阴极材料。

一种新的直接回收技术

最近,梁正、周光敏、成会明及其同事在(Journal of the American Chemical Society 上披露了这样一种技术。 碘化锂(LiI)和氢氧化锂(LiOH)以共晶组合形式结合,其熔点温度低于单独使用任一种盐的温度——低于200°C。 这样,该组合则在更易达到的温度下变成液体。

虽然共晶混合物在200°C下连续加热3小时,然后加热到850°C的2小时后,由修复材料制成的电池容量尚未完全恢复, 然而,在共晶混合物中加入 Co2O3 和 MnO2 后,两步法生产出了修复后的 NMC523,它具有与新生产的电池材料相当的特性和晶体结构。

这种方法提供了一种将锂离子电池阴极修复到全部功能的方法,同时比新生产的电池使用更少的能源和资源。 如果耗尽的电池材料能以较低的成本恢复全部功能,那么与使用其他更昂贵的技术制造的金属或金属氧化物相比,它们可以更高的利润出售。

挑战

不过,梁正教授等人开发的方法并非没有挑战。 该操作需要拆卸、然后重新组装电池。 电池设计和阴极成分的复杂性和缺乏一致性是电池回收的常见障碍。 虽然许多不同类型的电池可以使用火法冶金处理,但直接回收和湿法冶金操作需要对不同类型的电池进行分类和安全的电池拆卸。 电池成分和设计必须在电池上注明并编码,以使直接回收切实可行。 对于普通电池的设计来说,拆卸会更简单,但考虑到锂离子电池应用的范围,这也许是不可能的。

展望未来

锂离子电池回收技术将迎来关键拐点,因为需求可能会超过关键金属的供应,因此回收技术必须在弥合这一差距方面发挥关键作用。 资源保护、环境影响和成本效益将是未来加速创新的关键驱动力。

尽管梁教授团队进行的研究没有为锂离子电池再生和直接回收提供商业化的方法,但这种新方法确实表明在技术上是可行的。 梁教授团队提出的新方法与早期的直接回收方法不同,它使用共晶系统而不是水热技术。 商业上可行的直接回收技术将提高锂离子电池组件供应的安全性,有助于其作为储能液体燃料的替代能源的可持续性,并作为降低人类二氧化碳排放、减缓气候变化的关键工具。 查看我们的近期报告,进一步了解有关锂离子电池回收的新趋势。

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