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清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院李金惠團(tuán)隊(duì)研發(fā)低熵增技術(shù)助力鋰電池高效回收
2025-03-26 10:21:42清華大學(xué)閱讀量：4041 我要評(píng)論
近日，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院李金惠教授團(tuán)隊(duì)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(shì)差的免預(yù)處理回收體系。通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控電極界面處的電子傳輸與電荷聚集機(jī)制，成功實(shí)現(xiàn)了難溶金屬組分的原位價(jià)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(wàn)噸級(jí)廢鋰電池更帶來(lái)嚴(yán)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(shí)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(wèn)題。其核心原因在于回收過(guò)程中的高熵增現(xiàn)象：機(jī)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(duì)這些難題，李金惠團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(guò)這種設(shè)計(jì)，鋁箔作為零價(jià)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(huì)產(chǎn)生有害的氫氣或釋放有機(jī)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(guò)程的熵增。
圖2.廢鋰電池原電池浸出體系回收效果
實(shí)驗(yàn)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(guò)99%，過(guò)渡金屬的回收率超過(guò)90%，同時(shí)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(jì)算表明，這種原電池體系高達(dá)3.84V(約3節(jié)干電池)的電勢(shì)差是迫使鋁箔溶解釋放的電子定向遷移，僅用于高價(jià)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(guò)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(huì)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(jī)粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑是電子轉(zhuǎn)移通道，不會(huì)受到電子和氫離子攻擊而溶解，最終形成如圖3f的有機(jī)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(píng)價(jià)為“城市礦山開發(fā)的范式轉(zhuǎn)變”，為動(dòng)力電池回收提供了兼具高效、低碳、經(jīng)濟(jì)的解決方案。未來(lái)，通過(guò)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(jì)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(guò)低熵增策略實(shí)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(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)等的支持。
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