目前主流的锂电池回收法有哪些局限性？如何提高电池回收效率？
来源：宝鄂实业
2019-04-24 02:42
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锂电池因其高能量密度和长循环寿命，被广泛应用于便携式电子产品和电动汽车中。锂电池的使用寿命大概为5-10年，而未来五年的锂电池产量预计将达到每年几百GWh。这意味着，在未来几十年中大量的废弃锂电池将会产生，使得锂电池的回收迫在眉睫。
[目前锂电池回收方法的局限性]
目前的锂电池回收的主流方法为火法冶金和湿法冶金法。然而，火法冶金需要极高温度的烧结和复杂的提纯过程，湿法冶金需要腐蚀性酸液将金属元素溶出后逐步沉淀。这两种方法不仅耗能大，步骤复杂，而且会造成环境污染。更重要的是，火法冶金和湿法冶金法都完全破坏了正极材料的颗粒结构，而完全舍弃了材料颗粒中储存的大量价值（通过控制并优化各种参数才合成出的具有理想性能的正极材料）。
[更高效的方法：直接再生法]
直接再生法摒弃了火法冶金和湿法冶金中完全破坏颗粒的方法，而是通过物理方法将正极材料从废弃电池中分离出来，然后对衰减后的正极材料进行处理。经处理再生后的正极材料可具有高容量，高倍率性能和稳定的循环性能，使其可直接被用于新的电池。加州大学圣地亚哥分校的陈政教授课题组此前成功研发了用水热法再生正极材料的方法。水热再生法虽然可以完全恢复正极材料的原始电化学性能，但是高压的条件在实际生产中并不容易满足。近日，他们在直接再生正极材料方向再次取得突破，成功实现用低温共晶熔融盐法再生三元正极材料。该方法不但可以在常压下进行，而且可以使衰减后再生的材料达到其原始的电化学性能。他们还与加州大学圣地亚哥分校的孟颖教授课题组进行合作，通过TEM/EELS等表征手段首次发现：衰减的三元层状材料表面因相变产生的岩盐相（rocksalt）可以在再生过程中被转变回层状（layered）结构。该成果Ambient-PressureRelithiationofDegradedLixNi0.5Co0.2Mn0.3O2(0<x<1)viaEutecticSolutionsforDirectRegenerationofLithium-IonBatteryCathodes发表于能源材料领域国际顶级期刊AdvancedEnergyMaterials(影响因子21.875)，第一作者为石杨博士。该方法仍保留材料的原始颗粒结构，通过熔融的锂盐为衰减的材料补充锂，并伴以短暂的烧结过程将材料的组分和晶体结构都恢复至原始状态，展现了良好的应用前景。
[全文要点解析]
三元镍钴锰酸锂（NCM）正极材料的衰减机理：
导致正极材料衰减的最主要原因有两点。一、锂的流失：本身存在于正极材料中的锂随着电池的循环，不能完全回到正极（可由SEI的形成增厚或其它原因导致），导致电池容量降低；二、表面相变：与电解液接触的材料表面更易发生相变，由原始的层状结构（layered）转变为尖晶石相（spinel）和岩盐相（rocksalt），这两种结构具有较低的锂离子传导率，使极化增大，容量衰减。
该方法以LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)为例，从这两个主要原因入手，先为材料补锂，再经过烧结达到理想的相结构。
[目前锂电池回收方法的局限性]
目前的锂电池回收的主流方法为火法冶金和湿法冶金法。然而，火法冶金需要极高温度的烧结和复杂的提纯过程，湿法冶金需要腐蚀性酸液将金属元素溶出后逐步沉淀。这两种方法不仅耗能大，步骤复杂，而且会造成环境污染。更重要的是，火法冶金和湿法冶金法都完全破坏了正极材料的颗粒结构，而完全舍弃了材料颗粒中储存的大量价值（通过控制并优化各种参数才合成出的具有理想性能的正极材料）。
[更高效的方法：直接再生法]
直接再生法摒弃了火法冶金和湿法冶金中完全破坏颗粒的方法，而是通过物理方法将正极材料从废弃电池中分离出来，然后对衰减后的正极材料进行处理。经处理再生后的正极材料可具有高容量，高倍率性能和稳定的循环性能，使其可直接被用于新的电池。加州大学圣地亚哥分校的陈政教授课题组此前成功研发了用水热法再生正极材料的方法。水热再生法虽然可以完全恢复正极材料的原始电化学性能，但是高压的条件在实际生产中并不容易满足。近日，他们在直接再生正极材料方向再次取得突破，成功实现用低温共晶熔融盐法再生三元正极材料。该方法不但可以在常压下进行，而且可以使衰减后再生的材料达到其原始的电化学性能。他们还与加州大学圣地亚哥分校的孟颖教授课题组进行合作，通过TEM/EELS等表征手段首次发现：衰减的三元层状材料表面因相变产生的岩盐相（rocksalt）可以在再生过程中被转变回层状（layered）结构。该成果Ambient-PressureRelithiationofDegradedLixNi0.5Co0.2Mn0.3O2(0<x<1)viaEutecticSolutionsforDirectRegenerationofLithium-IonBatteryCathodes发表于能源材料领域国际顶级期刊AdvancedEnergyMaterials(影响因子21.875)，第一作者为石杨博士。该方法仍保留材料的原始颗粒结构，通过熔融的锂盐为衰减的材料补充锂，并伴以短暂的烧结过程将材料的组分和晶体结构都恢复至原始状态，展现了良好的应用前景。
[全文要点解析]
三元镍钴锰酸锂（NCM）正极材料的衰减机理：
导致正极材料衰减的最主要原因有两点。一、锂的流失：本身存在于正极材料中的锂随着电池的循环，不能完全回到正极（可由SEI的形成增厚或其它原因导致），导致电池容量降低；二、表面相变：与电解液接触的材料表面更易发生相变，由原始的层状结构（layered）转变为尖晶石相（spinel）和岩盐相（rocksalt），这两种结构具有较低的锂离子传导率，使极化增大，容量衰减。
该方法以LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)为例，从这两个主要原因入手，先为材料补锂，再经过烧结达到理想的相结构。
