日前，萊斯大學(xué)材料科學(xué)家PulickelAjayan實(shí)驗(yàn)室使用環(huán)保的低共熔溶劑從鋰離子電池常用的金屬氧化物中提取有價(jià)值的元素。新溶劑可提取粉末狀混合物中90%以上的鈷，盡管每次從舊電池中提取的鈷的含量較少，但不失為舊電池回收的有效方法。研究人員表示，該研究的目標(biāo)是減少使用苛刻的工藝來(lái)回收電池并使其遠(yuǎn)離垃圾填埋場(chǎng)。相關(guān)成果發(fā)布在《NatureEnergy》上。

電池回收示意圖

“可再充電電池浪費(fèi)，特別是來(lái)自鋰離子電池的電池浪費(fèi)，將來(lái)將成為越來(lái)越危險(xiǎn)的環(huán)境挑戰(zhàn)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)它們?cè)陔妱?dòng)汽車和其他小配件中的使用對(duì)這些電池的需求急劇增加。重要的是回收鈷等有限供應(yīng)的戰(zhàn)略金屬，這些金屬對(duì)這些儲(chǔ)能設(shè)備的性能至關(guān)重要。從我們目前的塑料現(xiàn)狀中學(xué)習(xí)的是，現(xiàn)在正是采取全面戰(zhàn)略來(lái)回收不斷增長(zhǎng)的電池廢棄物的最佳時(shí)機(jī)。”PulickelAjayan表示。

低共熔溶劑可溶解各種金屬氧化物，低共熔溶劑是兩種或多種化合物的混合物，它們?cè)谶h(yuǎn)低于其每種前體的溫度下凍結(jié)，人們可以從簡(jiǎn)單的固體組合中獲得液體。

PulickelAjayan團(tuán)隊(duì)新研發(fā)的溶劑由日常用品中氯化膽堿和乙二醇制成，從拆卸LIB開(kāi)始，將陰極廢料插入DES（低共熔溶劑）中，然后加熱并攪拌。通過(guò)溶解發(fā)生鈷和鋰離子的提取，并且在該步驟中，當(dāng)過(guò)濾滲濾液時(shí)，可以單獨(dú)回收鋁箔，粘合劑和導(dǎo)電碳。然后可以通過(guò)沉淀或電沉積回收鈷化合物，從而允許再利用這些有價(jià)值的材料。

“以前曾嘗試使用酸。它們是有效的，但它們具有腐蝕性，不環(huán)保。總的來(lái)說(shuō)，回收鋰離子電池通常很昂貴并且對(duì)工人來(lái)說(shuō)是一種風(fēng)險(xiǎn)。”研究生和主要作者KimmaiTran說(shuō)道。

Tran繼續(xù)補(bǔ)充，其他過(guò)程也存在缺陷。火法冶金涉及在極端溫度下破碎和混合，有害煙霧需要擦洗。濕法冶金需要腐蝕性化學(xué)品，而其他提取金屬離子的“綠色”溶劑通常需要額外的試劑或高溫工藝才能完全捕獲它們。

Tran表示，低共熔溶劑可溶解各種金屬氧化物。“它實(shí)際上由雞飼料添加劑和常見(jiàn)的塑料前體制成，當(dāng)在室溫下混合在一起時(shí)，形成清澈，相對(duì)無(wú)毒的溶液，具有有效的溶劑化性質(zhì)。”低共熔溶劑是兩種或多種化合物的混合物，它們?cè)谶h(yuǎn)低于其每種前體的溫度下凍結(jié);人們可以從簡(jiǎn)單的固體組合中獲得液體。

KimmaiTran認(rèn)為，“冷凍和熔點(diǎn)的大幅下降是由于不同化學(xué)物質(zhì)之間形成的氫鍵。通過(guò)選擇合適的前體，可以制造具有有趣特性的廉價(jià)綠色溶劑。”

當(dāng)Tran加入時(shí)，Rice集團(tuán)已經(jīng)在下一代高溫超級(jí)電容器中測(cè)試共晶溶液作為電解質(zhì)。然而，賴斯研究科學(xué)家和共同作者BabuGanguli說(shuō)，解決方案是溶解金屬氧化物超級(jí)電容器;共晶是從超級(jí)電容器的鎳中提取離子。

“我們的團(tuán)隊(duì)正在討論這個(gè)問(wèn)題，我們很快意識(shí)到我們可以使用被認(rèn)為是電解液不利因素，這是溶解和回收廢舊鋰電池的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。”BabuGanguli表示。

這成為了Tran的焦點(diǎn)，因?yàn)樗诓煌臏囟群蜁r(shí)間尺度上測(cè)試了金屬氧化物上的低共熔溶劑。在使用鋰鈷氧化物粉末的測(cè)試期間，透明溶劑產(chǎn)生寬范圍的藍(lán)綠色，表明存在溶解在其中的鈷。

在180攝氏度（356華氏度）下，當(dāng)滿足某些條件時(shí)，溶劑提取了近90％的鋰離子和高達(dá)99％的鈷離子。

研究人員制造了小型原型電池，并將電池循環(huán)300次，然后將電極暴露在相同的條件下。證明溶劑能夠溶解鈷和鋰，同時(shí)將金屬氧化物與電極中存在的其他化合物分離。

他們發(fā)現(xiàn)鈷可以通過(guò)沉淀或甚至電鍍到共晶溶液中回收到鋼網(wǎng)，因?yàn)楹笠环N方法可能允許重復(fù)使用深低共熔溶劑本身。

“我們專注于鈷。從資源的角度來(lái)看，它是最關(guān)鍵的部分。手機(jī)中的電池肯定會(huì)有很多電池。鋰也是非常有價(jià)值的，但鈷尤其不僅環(huán)境稀缺，而且從社會(huì)的角度來(lái)看，也難以獲得。”萊斯校友MarcoRodrigues，現(xiàn)在是阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的博士后。

能源部正在加大推進(jìn)電池回收技術(shù)的力度，最近又宣布了一個(gè)鋰離子電池回收中心。國(guó)家科學(xué)基金會(huì)通過(guò)其研究生研究獎(jiǎng)學(xué)金計(jì)劃支持該研究。