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清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院李金惠團隊研發(fā)低熵增技術(shù)助力鋰電池高效回收
近日，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院李金惠教授團隊提出一種基于原電池效應(yīng)的定向浸出策略，旨在破解當(dāng)前廢鋰離子電池回收領(lǐng)域的高熵增技術(shù)瓶頸與能效難題。該研究創(chuàng)新性地利用廢正極材料與鋁箔載流體的自組裝特性，構(gòu)建出具有3.84V電勢差的免預(yù)處理回收體系。通過精準(zhǔn)調(diào)控電極界面處的電子傳輸與電荷聚集機制，成功實現(xiàn)了難溶金屬組分的原位價態(tài)重構(gòu)與晶格活化，同步突破了鋰、鎳、鈷、錳等關(guān)鍵金屬回收率低與回收速率慢的限制。 
鋰離子電池作為清潔能源轉(zhuǎn)型的核心載體，已經(jīng)消耗全球70%的鈷資源，而每年產(chǎn)生的百萬噸級廢鋰電池更帶來嚴峻的環(huán)境挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的廢鋰電池冶金回收技術(shù)可以在一定程度上實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，但仍面臨效率低、能耗高、環(huán)境污染等問題。其核心原因在于回收過程中的高熵增現(xiàn)象：機械粉碎破壞電池原有結(jié)構(gòu)秩序，提升系統(tǒng)熵值；化學(xué)浸出消耗大量酸堿試劑，造成不可逆能量損失；多步分離導(dǎo)致金屬交叉污染，降低產(chǎn)物純度。針對這些難題，李金惠團隊提出一種基于“最小熵增原理”的創(chuàng)新性濕法冶金回收策略，為廢鋰電池的高效、可持續(xù)回收提供了全新思路。
圖1.廢鋰電池原位自組裝構(gòu)建的原電池浸出體系
在這一策略中，研究團隊發(fā)現(xiàn)，廢鋰電池正極材料(如LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)與電池內(nèi)部的鋁箔載流體之間可以形成微原電池系統(tǒng)。通過這種設(shè)計，鋁箔作為零價金屬還原劑，能夠定向轉(zhuǎn)移電子，僅用于廢正極材料的還原分解，而不會產(chǎn)生有害的氫氣或釋放有機氟化物污染。這種方法可以讓廢鋰電池“自我拆解”，能夠在不破壞電池原有結(jié)構(gòu)的情況下，顯著降低回收過程的熵增。
圖2.廢鋰電池原電池浸出體系回收效果
實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)方法相比，該技術(shù)使鋰的回收率超過99%，過渡金屬的回收率超過90%，同時將電子還原效率提高了約25倍，溶解速率提高了約30倍。熱力學(xué)理論計算表明，這種原電池體系高達3.84V(約3節(jié)干電池)的電勢差是迫使鋁箔溶解釋放的電子定向遷移，僅用于高價金屬(Ni3+/Co3+/Mn4+)還原，而不發(fā)生析氫副反應(yīng)的關(guān)鍵原因。
圖3.原電池電化學(xué)浸出過程正極顆粒的反常溶解現(xiàn)象
原電池體系產(chǎn)生的電子遷移與電荷積聚效應(yīng)會誘導(dǎo)廢鋰電池顆粒內(nèi)部發(fā)生優(yōu)先溶解現(xiàn)象，逐步形成空穴形貌。值得注意的是，廢鋰電池中的含氟有機粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑是電子轉(zhuǎn)移通道，不會受到電子和氫離子攻擊而溶解，最終形成如圖3f的有機質(zhì)框架，固定于浸出尾渣。這在一定程度上降低了次生廢水的處理難度。
該研究被審稿人藤田豐久(Toyohisa Fujita)評價為“城市礦山開發(fā)的范式轉(zhuǎn)變”，為動力電池回收提供了兼具高效、低碳、經(jīng)濟的解決方案。未來，通過模擬電池原生結(jié)構(gòu)的功能復(fù)用，或可解決其他電子廢棄物(如電路板、顯示器)回收中的熵增難題，將有助于循環(huán)經(jīng)濟從“暴力拆解”轉(zhuǎn)向“智慧解構(gòu)”新紀(jì)元。
相關(guān)研究成果以“通過低熵增策略實現(xiàn)廢鋰電池電流浸出回收”(Galvanic leaching recycling of spent lithiumion batteries via low entropy-increasing strategy)為題，于3月11日在線發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。
清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院余嘉棟博士后為論文第一作者，李金惠為論文通訊作者，環(huán)境學(xué)院2023屆本科畢業(yè)生劉晏均為論文共同作者。研究得到國家自然科學(xué)基金委員會等的支持。
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