研 究 背 景

能源危機、溫室效應和空氣污染引發(fā)了對新儲能技術的研究，導致電化學儲能電池的持續(xù)發(fā)展和商業(yè)化。隨著鋰二次電池逐漸進入報廢期，實現(xiàn)其高效綠色回收不僅是生態(tài)文明發(fā)展的戰(zhàn)略要求，也是資源安全供應的現(xiàn)實保障。因此該領域的研究近年來得到越來越多的關注。

由于廢鋰離子電池中存在有價金屬和電解質(zhì)，一方面，回收可以防止環(huán)境污染。另一方面，鋰離子電池中的有價金屬含量遠遠超過許多天然礦物的含量，因此，回收可以幫助大大減少資源供應的壓力，同時也有積極的經(jīng)濟效應。各國也在政策層面上積極支持鋰離子電池回收產(chǎn)業(yè)，以刺激鋰產(chǎn)業(yè)積極回收和再利用廢舊電池，并在國家層面上支持經(jīng)濟戰(zhàn)略。

文 章 簡 介

基于此，來自北京理工大學的李麗教授、吳鋒院士團隊，在國際知名期刊Energy & Environmental Science上發(fā)表題為“Carbon neutrality strategies for sustainable batteries: from structure, recycle, property to application”的綜述文章。

該文章采用結(jié)構(gòu)-回收-性能-應用的有機四面體對目前鋰二次電池的回收技術進行了全面的分析。并從多個維度評估了未來極具前景的新一代儲能電池，并基于鋰離子電池的回收現(xiàn)狀及回收理論，提出了可能的回收技術。此外，面向碳中和轉(zhuǎn)變，概述了鋰二次電池和下一代化學儲能電池關鍵材料回收技術的發(fā)展前景和面臨的挑戰(zhàn)。

圖1. 材料回收系統(tǒng)的有機四面體

本 文 要 點

要點一：可充電電池的環(huán)境影響

電池制造階段在電池的整個生命周期中對環(huán)境影響占主導地位。電池制造過程中的電極、組裝和成型部分是主要的碳排放來源。在制造LIB電極材料時，正極材料消耗的能量最大，其次是負極材料。減少碳排放的最佳方式是用更清潔的能源組合的電力來制造電池，其中包括用于電池生產(chǎn)的綠色電力以及用于制造電池上游必要部件的綠色電力。提高電池的比能量可能會間接地改善整個制造過程的環(huán)境性能。

優(yōu)化電池材料生產(chǎn)技術和提高能源使用效率將大大改善電池的環(huán)境影響。無論是初始使用還是回收再使用，可充電電池的環(huán)境效益都強烈依賴于電力來源。循環(huán)回收利用有可能通過提取用于制造新電池的材料，從而消除新原料的加工，最大限度地減少二氧化碳的排放。保證動力電池資源的綠色供應和提高可再生能源在充電鏈中的比例至關重要。

要點二：現(xiàn)有的LIBs回收技術

物質(zhì)的能量本身存在于微觀結(jié)構(gòu)中，不同材料具有不同的微觀結(jié)構(gòu)。例如，廢舊陰極材料通常是占據(jù)八面體位置的Li（或在LMO材料中占據(jù)四面體位置的Li）和占據(jù)八面體位置的過渡金屬，依靠離子鍵來固定它們。因此，廢料本身的能量被儲存在這些金屬多面體中。當廢舊材料被回收時，其運動被改變，儲存在金屬多面體中的能量可以被轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，如熱能。

因此，廢舊材料的不同微觀結(jié)構(gòu)導致了不同的回收技術。多樣化的回收方法產(chǎn)生于具有不同結(jié)構(gòu)和成分的電極材料，而產(chǎn)品的特性最終決定了它們的使用方式。這些要素有機地構(gòu)成了電極材料回收技術的四面體。

要點三：下一代可充電電池全生命周期碳中和策略

下一代儲能電池的電池材料結(jié)構(gòu)和組裝工藝與現(xiàn)有的鋰離子電池有很大不同。要解決現(xiàn)有鋰離子電池的回收問題，首先要在開發(fā)新的電池材料時考慮到回收方面的問題，如簡單的拆解和安全的回收。例如，拆卸后易于與活性材料分離的粘合劑，以及具有高安全性和穩(wěn)定性的電解質(zhì)等。此外，根據(jù)目前對鋰離子電池回收的研究現(xiàn)狀，基于破壞材料內(nèi)在結(jié)構(gòu)的回收技術存在高能耗、高污染、高化學消耗等問題。在處理下一代電池時，應盡可能選擇直接修復或升級回收工藝。

要點四：前景及挑戰(zhàn)

關鍵電池材料的回收逐漸成為儲能領域的一個重要課題，這也與人類生活和社會發(fā)展高度相關。結(jié)合目前鋰離子電池回收技術的發(fā)展和實際應用，廢舊材料本征能量損失嚴重的回收技術往往會完全破壞材料結(jié)構(gòu)，使回收過程缺乏選擇性，從而導致金屬回收率低。未來，需要大力研究和開發(fā)本征能量完全保留策略，逐步實現(xiàn)廢物直接修復和提升技術的落地和產(chǎn)業(yè)化。

（1）考慮混合材料系統(tǒng)的短程循環(huán)修復，進一步深入研究耦合修復機制。其發(fā)展趨勢是通過工藝設計與綠色化學原理的結(jié)合，創(chuàng)造一種低能耗、對環(huán)境無害的直接修復工藝，實現(xiàn)廢舊鋰離子電池混合體系的短程修復。

（2）積極開發(fā)升級改造技術，例如，可以考慮在修復的同時對電極材料進行原位改性，以提高Li+的傳輸效率和電化學穩(wěn)定性。對于結(jié)構(gòu)損壞嚴重、純度低的廢料，升級改造后的材料可以用于要求不高的領域。

（3）基于產(chǎn)物高值化開發(fā)環(huán)境友好的選擇性轉(zhuǎn)化過程。雖然學者們開發(fā)的轉(zhuǎn)化技術在一定程度上降低了焙燒溫度，但仍存在高能耗的問題。此外，由于需要控制產(chǎn)品的形態(tài)和顆粒大小，有必要采取有效的強化手段來降低固相轉(zhuǎn)化溫度，以減少能源消耗。

（4）根據(jù)現(xiàn)有的LIBs回收策略，需要全面分析關鍵下一代儲能電池電極材料的結(jié)構(gòu)和失效機制，從而采取相應的回收技術。未來，下一代儲能電池關鍵材料直接修復和升級回收將是研究的重點方向。

審核編輯 ：李倩