材料能量雙循環，“狙擊”鋰電池“退役潮”

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當實驗臺上的摩擦納米發電機開始“嗡嗡”運轉時，旁邊大燒杯里，一簇細密的氣泡逐漸在陰極聚集。這似乎預示著，即將迎來“退役潮”的廢舊鋰電池問題解決方案開始浮出水面。

日前，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士、王杰研究員團隊基于摩擦納米發電機的自驅動原理，構建出一套廢舊鋰電池回收系統。利用該系統可生成能直接利用的高純度碳酸鋰、磷酸鐵。在多項前沿技術“加持”下，該系統以摩擦納米發電機供電回收，并將部分回收材料用于制造摩擦納米發電機，構建了材料和能量的“雙循環”。

“這是種整合了‘新型高效電化學回收體系’‘摩擦納米發電技術’和‘回收產物再利用技術’等前沿技術的自驅動磷酸鐵鋰回收系統。”中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員王杰告訴《中國科學報》，“和傳統回收技術相比，它在環保和經濟效益方面優勢明顯。”

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自驅動磷酸鐵鋰回收系統。受訪者供圖

鋰電池將迎來“退役潮”

當前，低碳發展的理念已深入人心。

在新能源汽車、儲能等產業長足發展的同時，作為動力或儲能設備的鋰電池也比比皆是。鋰電池平均使用壽命為6至8 年，也就是說，我們即將迎來大規模的鋰電池“退役潮”。

據中國汽車工程學會預測，2023年我國退役動力電池將達到104萬噸，2030年將達到350萬噸。另一方面，動力電池所用的鋰、鈷、鎳資源稀缺程度進一步加劇，隨著全球電動化戰略轉型的加速，資源短缺問題日益突出。

“如果不能對廢棄的鋰電池進行正確、有效地處理，其中的電解液、重金屬、塑料等物質會給環境帶來巨大壓力。”王杰補充說，“同時，廢舊鋰電池中有可觀的鋰、鎳、鈷、錳、銅、鋁等金屬元素，也是寶貴的資源。不論從環境保護還是從資源利用角度，都需要對廢舊電池進行回收利用。”

但現實困難是，鋰電池回收問題重重。一是傳統回收方式工藝復雜，高能耗、高排放，還會帶來二次污染問題；二是回收所得產物純度較低，多次提純又會抬高成本。

目前，主流新能源汽車采用三元聚合物鋰電池（俗稱三元鋰電池）或磷酸鐵鋰電池。前者能量密度高、續航里程長，后者則安全性能更好。其中三元鋰電池因含有貴金屬原材料，人們回收意愿較強，對該領域回收技術也研究較多。但約占市場保有量六成的磷酸鐵鋰電池原料相對便宜，回收產物價值不高，且回收工藝復雜，存在較大環境隱患等原因，沒有人愿意進行回收。因此，亟需開發一種簡單、便捷、環保又高效的回收方式。

王中林、王杰團隊開發的回收系統采用電化學法氧化食鹽水，利用生成的次氯酸進行氧化還原，實現磷酸鐵鋰正極材料的回收。這能降低化學試劑的用量及種類，將濕法回收的10 個步驟縮短為 4 個，在簡化工藝流程的同時還能節能環保、降低成本。

“按照現行工業標準，反應物磷碳酸鋰和磷酸鐵純度達到99.5%就可以直接利用。”王杰說，“我們這種方法的回收產物純度分別達到 99.70% 和 99.75%，可以省去高能耗、高排放的提純步驟，后續生產能直接利用。”

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王杰。受訪者供圖

“跑題”討論引來“雙循環”研究

更巧妙的是，該系統用摩擦納米發電機實現能源自給與系統自驅動。一方面借助摩擦納米發電機制備材料來源廣泛的優點，通過合理利用電池的廢棄材料制造摩擦納米發電機，再將摩擦納米發電機作為電力補充，就能有效降低用電量，助力于提升系統的自驅動性能。構建了一個材料和能量的“雙循環”。

“一個有意義的課題需要從社會需求出發，聚焦于解決生產生活中的瓶頸問題。”王杰說，“該項目就是立足自身優勢，綜合實驗室在鋰離子電池、摩擦納米發電機、自驅動系統、自驅動電化學方面的積累，通過多項前沿技術疊加，最終實現了突破與實用化。”

這套設計精妙的回收系統得到能源和可持續發展領域的廣泛關注。細究其研究思路的緣起，竟出自團隊3年前一次頭腦風暴時，話題有些“跑偏”的討論和此后將多項前沿技術疊加創新的嘗試。

王中林帶領團隊長期從事摩擦納米發電機相關研究。制造摩擦納米發電機的材料廣泛，為了降低成本，他們曾研究過用廢舊回收材料制造摩擦納米發電機。

“一開始，為了尋找替代材料，我們嘗試過多種回收物品，比如用牛奶包裝盒上的鋁塑膜，可樂罐的鋁材作為摩擦納米發電機的原料。”王杰說。

在一次團隊頭腦風暴中，團隊成員張寶峰提出廢舊鋰電池中有很多可回收金屬和有機薄膜，能用作摩擦納米發電機原料。接下來的討論就有點“跑偏”，大家七嘴八舌一陣討論后，形成共識竟是：鋰電池回收可能會成為一個有很大需求的領域。

王杰曾進行過能源存儲技術研究，后來到北京納米能源與系統研究所，跟著王中林開始研究摩擦納米發電機，并利用納米發電機收集環境能量給各種移動傳感器、可穿戴設備供電。但環境能量總會遇到不穩定因素，需要用鋰電池進行儲能“緩沖”。因此，該團隊還有專門研究鋰電池的博士和博士后，對鋰電池的深入了解讓他們相信自己的判斷。此后對回收鋰電池行業的調研也證實了這一想法。

進一步的分析中，團隊認為電化學回收是一個不錯的回收方式，但缺點是耗電量較大。

“我們就是搞發電的，所以當時就想把電池技術，摩擦納米發電技術和電化學回收技術疊加起來，看能不能找出結合點，把這套回收系統做出來。”王杰說。

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團隊合影。受訪者供圖

技術沉淀和拓展

由于團隊成員具有化學、材料、物理、電子、機械等多學科背景，大家在一起實驗和討論，覺得“可以一起來做件更有意思的事情”。

一開始，團隊分析認為，構建這個“雙循環”的基礎是電化學回收過程中正極材料的選擇。因為反應過程要氧化還原磷酸鐵鋰。電場雖然是非常好的“還原劑”，但磷酸鐵鋰不溶于水，直接電化學反應也就無從談起。

“我們和電場打交道很多，對電化學比較了解，堅信沒有電場氧化/還原不了東西，如果不能直接氧化還原，就需要找到一個‘中間體’。”王杰解釋說，“如果能找到一種溶劑作為‘中間體’，形成另外一種液態氧化劑，再去氧化還原磷酸鐵鋰，就能讓反應順利進行下去。”

經過數月的篩選和實驗，團隊發現次氯酸可以達到上述要求，而次氯酸又可以通過氯化鈉溶液在電場中產生。磷酸鐵鋰粉末被次氯酸包覆，然后就能進行反應。但次氯酸沒有顏色，無法直觀判斷，研究人員又轉身去尋找指示劑。經過一番實驗調試，研究人員最終通過碘化鉀溶液做指示劑，完美解決了這一問題。

反應能進行下去了，團隊又發現了新問題。為了實現盡可能多的磷酸鐵鋰回收，實驗中要有足夠多的電量才能完成。但團隊以前的研究專注于“單位面積的輸出”，為滿足電化學反應需要，他們重新研制一臺直徑約30厘米的旋轉式摩擦納米發電機，并通過優化輸出和降壓增流措施，滿足了實驗需要。

在此基礎上，團隊通過技術沉淀和拓展，將相關技術應用在三元鋰電池回收上。目前，該團隊已經在實驗室完成了廢舊三元鋰電池的回收。