催化新機制帶來金屬回收新工藝

原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/9/508340.shtm

中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士、唐偉研究員團隊將材料接觸起電這一物理現象與催化學科交叉融合，提出接觸電致催化新機制并發展了一種綠色、經濟、高效率的鋰電池回收技術。在鋰電池及各種貴金屬回收領域展現出良好的前景。近日，相關論文在《自然-能源》發表。

  ?

接觸電致催化回收鋰電池正極材料流程。受訪者供圖

鋰離子電池(LIBs)作為目前主要的儲能技術，廣泛應用于各類電子設備和可再生能源存儲領域，是人們生活和能源工業必需品。隨著“雙碳”目標的提出，人們對鋰離子電池的需求持續增長，而鋰和鈷的需求也相應劇增。

一方面，鋰電池中鋰、鈷含量遠高于礦石，回收廢電池比新建鋰礦、鈷礦具有更高的經濟價值。另一方面，預計到2030年，全球廢棄鋰離子電池將達到200萬噸/年，如果不能妥善處理，將帶來嚴重環境問題，對公眾健康構成極大威脅。因此，回收廢舊鋰電中的金屬元素具有重大的環境、社會和經濟意義。

目前，鋰電池回收方法主要有火法回收、濕法回收和直接回收法。火法回收的反應溫度高于一千攝氏度，會產生毒性氣體，需要額外的處理，而且得到的合金和爐渣仍需通過“濕回收”工藝分離回收，雖然簡單但成本過高；直接回收法雖然可以生成用于電池的電極粉末，但前期需要對電池進行歸類，對電池的狀態、電極材料的組成等進行精確的分析，從而定制化添加鋰源，因此不具備普適性，難以大規模使用；濕法冶金作為商業浸出工藝，具有回收效率高，金屬純度高的優勢，但需要加入還原劑，而還原劑作為消耗品會顯著增加成本。因此，有必要開發一種高效、經濟、綠色的濕法回收方法，以滿足鋰離子電池指數級增長的需求。

“為實現鋰電池綠色、經濟回收，我們提出接觸電致催化回收鋰電池的新機制。”唐偉告訴《中國科學報》，“該方法以二氧化硅（日常生活中常見的沙子主要成分）作催化劑，以機械能為驅動，利用其與水接觸起電產生的電子轉移誘導產生超氧自由基、過氧化氫等活性物質來還原電極粉末中高價態的金屬，從而實現鋰、鎳、錳、鈷等金屬的有效浸出。”

實驗表明，在90 ℃，超聲6小時條件下，鈷酸鋰電池中鋰的浸出率達到100%，鈷的浸出率達92.19%。對于三元鋰電池，在70 ℃，6小時條件下，鋰、鎳、錳、鈷的浸出效率分別為94.56%、96.62%、96.54%和98.39%。

“二氧化硅無需任何化學修飾，作為介電粉末催化劑成本低廉，符合大規模商業應用需求。而且只需通過簡單離心分離就回收，從而循環利用降低成本。這項工藝有助于進一步開發綠色，高效，經濟的鋰電池回收及電子垃圾中貴金屬回收的工藝。”唐偉說。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41560-023-01348-y