科學家回信|康飛宇：鋰電池回收技術快速發展

編者按：2023年5月起，“學習強國”學習平臺與中國科學報社聯合發起“科學家回信”活動，邀請廣大讀者向自己心中向往尊敬的科學家、科技工作者提問、留言。活動啟動后，“學習強國”“科學網App”收到了讀者的踴躍留言。我們精選了讀者王炳韌的提問，請長期從事儲能用碳材料和先進電池研究的清華大學教授康飛宇發出第五十三期回信。

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讀者王炳韌：廢棄鋰電池如何處理？

康飛宇：隨著便攜式電子設備、電動車和新能源存儲的快速發展，高性能鋰離子電池自2010年以來得到了廣泛應用。預計到2030年，全球對鋰離子電池的需求將達到3000吉瓦時。然而，鋰離子電池的服役壽命一般為8～10年，這意味著未來每年都會產生數以千萬噸計的廢舊鋰離子電池。

回收廢舊鋰離子電池在節約資源、保護環境和經濟方面具有重要的意義。首先，全球用于制造這些電池的關鍵材料如鋰、鈷、鎳等資源非常稀缺，且價格昂貴，會影響新能源行業的穩定發展。其次，廢舊電池含有大量有害成分，如重金屬、可燃液體、含氟化合物、碳材料和難降解塑料，不當棄置會帶來安全風險和嚴重環境污染。最后，這些退役的電池中很多材料還可以再次利用，不僅可以節約再制造過程的能源使用，還減少了環境壓力，并具有顯著經濟價值。

廢舊鋰離子電池的回收包括三個部分，電池二次利用、電池材料分離和回收材料的進一步處理。首先，篩選出狀況較好的電池可以再次用于對安全性要求較低的場合，比如，電動自行車和家用儲能系統。對于無法進行二次利用的電池，通過一系列操作，如放電、粉碎和分離來提取各種材料。分離出的材料的處理方法主要取決于材料本身，其中大部分工作聚焦于價值較高的正極材料的處理，包括升級改造、修復、元素提取；負極石墨材料的處理方式包括修復、轉化為碳材料。

目前，鋰離子電池的回收技術處于快速發展階段。在2020年以前，研究主要集中在如何高效回收廢舊鋰離子電池中的貴重金屬。這些技術已在工業界得到了廣泛應用，回收率接近最高（編者注：回收廢舊鋰離子電池中的貴重金屬的回收率并非100%，但通過采用合適的回收技術和工藝，可以最大程度地回收廢舊鋰離子電池中的貴重金屬）。未來需要進一步降低能源和化學品的消耗。

自2020年起，伴隨國家政策的支持，研究人員開始探索如何修復和改進失效的電池正負極材料，以提升其電化學性能，以便再利用。同時，還有研究將回收材料改進，制成適用于新一代高效電池的材料。這些修復和升級改造技術的關鍵在于如何獲得高純度材料。

我們團隊采用的是一種電池逆向制造的回收技術，自動化地把廢舊電池拆成極片和其他材料。我們遵循“金字塔模式”來逐級回收電池所有部分，確保所得組件和材料純度高，便于再利用。2023年，我們將拆解的電池正極、隔膜、負極直接修復后，生產出來的新電池容量可以恢復至接近理論值（編者注：電池的理論值指的是電池在全新、未使用且完全健康狀態下所能達到的最大容量。拆解的電池正極、隔膜、負極經過修復后生產出的新電池容量時，如果提到其容量可以恢復至接近理論值，意味著經過修復的電池在容量上幾乎可以達到與新電池相當的水平，修復過程非常成功，能夠有效地恢復電池的性能）。這種修復法相比于傳統元素提取工藝，經濟效益提高了33%，能耗降低了48%，碳排放減少了62%。目前，我們正專注于如何設計易回收電池并且對廢電池反復修復，從而最大程度延長電池生命周期。

要打造一個更綠色和可持續的新能源產業，電池回收工作需要做好以下五個方面：1.建立電池護照體系，規范退役電池的回收流程；2.通過政策鼓勵，促使企業和研究人員關注電池再利用的每個階段，確保從電池修復到元素提取的關鍵部分都合理規劃；3.制定涵蓋電池回收全流程的標準，推動標準化，以便行業快速進步；4.支持成立第三方電池回收和評估機構，專業化和標準化的技術評估將有助于突破技術壁壘；5.激勵電池制造商采用易回收設計理念，制造高性能且易于回收的電池產品。