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【柳三變專欄】用「機械化學」回收鋰電池

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鋰電池已經成為現代人不可或缺的貼身之物了。你的手機電池、筆電電池不堪使用了,隨手把它扔了嗎?它可以回收嗎?怎麼回收呢?凱瑟琳桑德森(Katharine Sanderson )在《自然》(Nature)期刊上的<研磨鋰電池有助於回收它們嗎?>(Could grinding up lithium batteries help to recycle them?)指出,研究人員使用「機械化學」從電池中小規模回收金屬。(Researchers use ‘mechanochemistry’ to recover the metal from batteries at a small scale.)

文 / 柳三變

黑色外殼中舊舊鋰手機電池,正面印有回收符號和鋰離子,電池中的鋰通常通過加熱材料或使用酸和溶劑來回收。研磨舊電池可能會導致一種低能量的方式來回收其中使用的鋰和其他金屬。鋰離子電池存在於我們所有的個人技術產品中——例如手機、筆記本電腦和無線耳機——它們為電動汽車提供動力。沒有他們,我們的生活將會大不相同。

可充電電池中的鋰目前通過將它們加熱到高溫或用濃酸和有機溶劑處理它們來回收。對回收多少鋰的估計各不相同,但鋰電池顧問漢斯·埃里克·梅林的計算表明,電池中可能回收了 15% 的金屬。

電動汽車和電池:世界如何生產足夠的產品?德國卡爾斯魯厄理工學院的材料科學家 Oleksandr Dolotko 和他的同事使用機械化學——通過研磨或銑削的機械力引發化學反應——從鋰離子電池中回收鋰。這種電池含有鋰化合物和其他金屬,例如鈷或鎳。儘管這些金屬的供應並沒有嚴重不足,但回收它們變得越來越重要,因為作為從化石燃料能源過渡的一部分,電池供電的設備正變得越來越普遍。歐盟制定了到 2031 年所有電池鋰回收率達到 80% 的目標。

Dolotko 的團隊開發了兩種提取方法,並取得了不同程度的成功。他們首先從鈷酸鋰電池中取出正極材料,並將其與等量的鋁箔組合在一起。現實生活中的電池含有鋁,它們將鋁用作「電流收集器」,讓電子從電池中移出。研究人員使用稱為球磨機的研磨機混合這些化合物。3 小時後,鋁與陰極材料發生反應,生成不溶性氧化鋁以及金屬鈷和水溶性鋰氧化物的混合物。

一種稱為水基浸出和進一步純化的分離方法產生了回收的鋰化合物:碳酸鋰,可用於製造更多電池。但是這些反應只回收了 30% 的金屬。「某處有鋰的損失,」多洛特科說。所以 Dolotko 的團隊調整了他們的實驗。第二個版本的步驟更少——他們用水加熱球磨出來的混合物。這防止了不溶性鋰鋁氧化物的形成,後者會鎖住鋰。

該團隊使用電池中使用的不同陰極材料以及陰極混合物測試了這兩種工藝。改進後的工藝從混合陰極材料中回收了 75% 的鋰。

鋰離子電池需要更環保、更合乎道德。Dolotko 說,機械化學通常不用於商業化學過程,機械力究竟如何引發化學反應還不完全清楚。「真的很難說它是如何發生的,」他說。他建議,也許過程中特定點的溫度會升高,或者摩擦會產生一些中間產物。但正如他所料,研磨確實促使鋁充當還原劑。

總部位於倫敦的專注於鋰的諮詢公司 Circular Energy Storage 的主管梅林說,這種機械化學回收過程是一個小型實驗室規模的示範,因此是對原理的證明,而不是改變遊戲規則的技術-離子電池報廢市場。他指出,電池回收比簡單地開發一項新技術要復雜得多,它同樣涉及原材料的經濟性和電動汽車等使用電池的技術的採用。「我們現在所處的情況是,我們現在真的不知道 2030 年我們需要的鋰將從何而來,」梅林說。

Dolotko 說,有機會改進工藝,他還致力於同時從電池中提取其他金屬,包括鈷和鎳。

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