發布時間：2020年12月10日
現在的鋰電池大多使用一種名為鈷的稀有和昂貴的金屬作為陰極成分的一部分，但開采這種材料需要付出巨大的環境代價。其中一種更環保的替代品被稱為磷酸鋰離子，而一項新的突破可以進一步提高這種陰極材料的環保性能，一旦用完就可以恢復到原來的狀態，而使用的能量只是目前方法的一小部分。
這項研究由加州大學圣迭戈分校的納米工程師進行，主要研究磷酸鐵鋰制成的陰極電池的回收技術。通過摒棄鎳和鈷等重金屬，這些類型的電池可以幫助避免這些材料開采地的景觀和水源的退化，以及工人暴露在危險條件下。
人們對鈷相關問題的認識不斷提高，推動了行業的轉變，許多人都在尋找替代電池設計，包括IBM和特斯拉這樣的大公司，他們今年開始銷售采用磷酸鐵鋰電池的Model 3。這些電池更安全、壽命更長、生產成本更低，不過有一個不足之處是，一旦用完，回收成本很高。
“回收它們并不劃算，”加州大學圣迭戈分校的納米工程教授鄭晨說。“這和塑料的困境是一樣的--材料很便宜，但回收它們的方法卻不便宜。”
回收突破的重點是磷酸鐵鋰電池性能退化背后的幾個機制。當它們被循環使用時，這個過程會推動結構變化，隨著鋰離子的流失，陰極中產生了空位，同時鐵和鋰離子也會在晶體結構中交換位置。這就會夾帶鋰離子，防止它們在電池中循環。
該團隊將市售的磷酸鐵鋰電池單元，并將其耗盡到一半的存儲容量。然后，他們將電池拆解，并將所得粉末浸泡在含有鋰鹽和檸檬酸的溶液中，然后將其沖洗干凈，晾干，再在約60至80℃的溫度下加熱。然后將這種粉末制成新的陰極，并在紐扣電池和小袋電池中進行測試，研究小組發現其性能恢復到初始狀態。
這是因為這種回收技術不僅補充了電池的鋰離子存量，而且使鋰離子和鐵離子重新回到陰極結構中的原始位置。這要歸功于檸檬酸的加入，它給鐵離子提供了電子，減少了通常排斥鐵離子移動到原來位置的正電荷。這一切的結果是，鋰離子可以被釋放出來，再次在電池中循環。
根據該團隊的研究，其技術與目前回收磷酸鋰離子電池的方法相比，消耗的能量減少了80%至90%，排放的溫室氣體也減少了約75%。雖然這是一個很好的開始，但該團隊表示，還需要進一步研究，以確定收集和運輸大量這些電池的整體環境足跡。
“弄清楚如何優化這些流程是下一個挑戰，”鄭晨說。“而這將使這種回收過程更接近于行業采用。”
