近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士/王杰研究员和团队， 基于摩擦纳米发电机的自驱动原理，成功构建一种废旧磷酸铁锂电池回收系统。
利于该系统可以生成碳酸锂和磷酸铁这两种回收中间产物，它们的纯度分别达到 99.70% 和 99.75%， 如此之高的纯度非常利于后续生产。
图 | 王杰（来源：王杰）
该成果不仅可以直接嫁接转移到锂电池回收企业之中，而且其中涉及的“新型电化学回收体系”“回收产物重新利用”“摩擦纳米发电机”等前沿技术也具有单独应用的广阔前景。具体来讲，主要包括如下部分：
其一，通过打造高效新型电化学回收体系从而用于正极材料的回收。 目前，磷酸铁锂正极材料的回收主要以湿法回收为主，但是这种方法的工艺较为复杂，需要使用大量酸碱试剂，很容易造成二次污染。而本次成果采用电化学法氧化食盐水，利用生成的 Cl-/ClO-氧化还原对，实现磷酸铁锂正极材料的回收，这能降低化学试剂的用量及种类，能将湿法回收的 10 个步骤缩短为 4 个步骤，在简化工艺流程的同时，还具备节能环保降成本的优点。同时，课题组最近的一系列工作表明，本次方法具有较好的通用性，能用于包括三元正极、磷酸铁锂、钴酸锂等一系列正极材料的回收。
其二，可用于回收产物的重新利用，从而助力新正极材料的制备。 鉴于回收中间产物的纯度较高，因此可以直接将其作为磷酸铁锂正极材料的前驱体，通过气氛隧道炉烧结的方法，即可实现高性能磷酸铁锂的重新制备。
同时，由于这种原材料来源于回收的前驱体，因此所制备的磷酸铁锂正极材料具有非常高的性价比优势。
其三，将摩擦纳米发电机实现能源自给与系统自驱动。 作为一种新型能量获取器件，摩擦纳米发电机具有体积小、重量轻、价格低廉、低频高效等优势，能将环境中广泛存在的机械能比如风能、人体运动机械能、水滴能等转换为电能。
同时，借助其制备材料来源广泛的优点，通过合理利用电池的废弃材料，比如电池壳、铝塑膜、集流体等，再将摩擦纳米发电机作为电力补充，就能有效降低用电量，助力于提升系统的自驱动性能。
综上，整合之后的自驱动磷酸铁锂回收系统，集成了新型高效的电化学回收体系，能够实现回收产物的重新利用。其中，摩擦纳米发电机等前沿技术，能够直接迁移并用于电池回收企业。
在锂电池全回收的实际应用中，本次系统具有较好的可行性，为废旧锂电池回收的设计原则提供了有力借鉴，预计能引起能源领域与可持续发展领域的广泛关注。
（来源：Energy & Environmental Science）
高涨的锂电池市场，欠佳的锂电池回收
如今，随着能源转型及碳中和理念的深入人心，新能源汽车规模化生产与使用不断提质加速，锂电池作为新能源汽车的“心脏”也迎来爆发式增长。
鉴于新能源汽车动力电池的平均使用寿命约为 6-8 年，动力电池在未来将迎来大规模退役潮。据预测，至 2025 年全球动力电池回收市场规模将由 2021 年的 55 亿元迅速增长至 588 亿元，至 2030 年将增长至高达 3000 亿元。
虽然锂离子电池在使用过程中不会产生有毒有害的物质，但如果不能对废弃后的锂离子电池进行正确、有效地处理，废旧锂电池中的电解液、重金属、塑料等物质会给环境带来重大的污染。
同时，废弃锂电池也是宝贵的金属资源，其含有可观的锂、镍、钴、锰、铜、铝等金属元素。因此，不论是从环境保护还是从资源利用角度，都需要对废旧电池进行回收再生。
目前，锂离子电池回收方法主要有火法回收、湿法回收和直接修复等。但对于磷酸铁锂电池而言，其在回收利用方面面临诸多挑战。
首先，磷酸铁锂材料性能稳定，难于通过火法、湿法等方法回收。其次，传统回收方式的工艺复杂、能耗较高，所得产物的纯度较低。
再次，磷酸铁锂中的贵金属含量较低，回收成本高但收益却很低。
此外，传统回收方式侧重于回收金属含量、以及经济效益高的正极材料，对于附加值较低的负极材料、隔膜、电池壳等部件不能全面兼顾，这很容易造成新的环境问题。
因此，需要从磷酸铁锂电池回收的全局出发，开发一种简单便捷的回收方式来实现回收产物的高值化。同时，对附加值较低的部件进行有效利用，从而拓展其用途。
（来源：Energy & Environmental Science）
基于摩擦纳米发电机的电化学全回收
基于此，该团队开展了本次课题。他们认为一个有意义的课题需要从社会生产的需求出发，聚焦于解决社会生产生活中的瓶颈问题，立足并发挥自身的优势特长，最终实现科技突破与实用化。
由于该项目面向工业生产和社会生活的突出问题，因此在立项初期他们就设立了“立足锂电回收，设计新模式，开发前沿科技”的理念。
同时，综合该实验室在锂离子电池、摩擦纳米发电机、自驱动系统、自驱动电化学的坚实基础，他们选择了“基于摩擦纳米发电机的自驱动废旧磷酸铁锂电池回收系统”这一课题。
该团队的成员具有化学、材料、物理、电子、机械等多种背景，从事的研究课题也各有侧重。通过此，他们将本课题的思维导图清晰化，将研究目标从“电化学回收沉积”“自驱动电化学回收”进行不断升华，直到提炼出最终的研究目标：“基于摩擦纳米发电机的电化学全回收”。
（来源：Energy & Environmental Science）
研究中，课题组从磷酸铁锂电池回收的全局出发，展示了磷酸铁锂电池在回收过程中各组分的回收及再利用，系统解决了磷酸铁锂电池的回收难题。
即针对锂电池回收领域存在的产物纯度较低、工艺繁杂、能耗高、以及侧重正极材料回收却忽视其他材料的不足，他们通过开发新型电化学回收体系，对回收工艺进行简化，从而有效提高回收产物的纯度。并利用回收产物来重新制备磷酸铁锂正极材料，将其与废旧石墨负极重新组装全电池，实现了正负极材料的循环利用。
同时，其还借助摩擦纳米发电机材料来源广泛的特性，利用废旧的电池壳、隔膜、集流体等部件设计摩擦纳米发电机，借助摩擦纳米发电机来收集环境中的机械能并将其转化为电能，从而为电化学回收装置供电，实现了自驱动废旧磷酸铁锂电池回收系统的构建。
同时，由于化学试剂用量降低、工艺流程简化、以及采用自驱动系统设计方法，这让本次回收系统的产率得以提升，生产成本也得以降低。
（来源：Energy & Environmental Science）
王杰表示：“由于本研究涉及大量的验证过程，因此每次在实验室开始试验，路过的研究室成员都会好奇地问东问西，比如这个瓶瓶罐罐是什么？为什么颜色会变黄？这个反应的原理是什么？大家都像好奇宝宝一样探索着未知。”而在做完一系列实验之后，他们开始撰写论文。
最终，相关论文以《利用摩擦电纳米发电机自行回收废旧磷酸铁锂电池》（Self-powered recycling of spent lithium iron phosphate batteries via triboelectric nanogenerator）为题发在 Energy & Environmental Science （IF 32.5），Zhang Baofeng 是第一作者，王杰担任通讯作者 [1]，中国科学院院士王中林是共同作者之一。
图 | 相关论文（来源：Energy & Environmental Science）
不过，在锂电池回收上该团队依旧处于刚起步的阶段。随着研究的深入，他们发现还有很多细分研究方向。
比如，对正极材料来说，虽然本次系统具备生成物纯度较高、操作简便等优点，但能否在不区分材料种类的情况下一次性高效回收所有元素？这依然是一个待解之题。
另外，对于电解液来讲，能否寻找一种合适的催化剂，通过简单的处理就能够将其降解成无害的物质？以及锂电池回收材料的出路到底在哪里？更加高值化利用的途径是什么？能不能不做成电池或做成其他功能材料？这些都是他们即将探索的问题。
参考资料：
1.Zhang, B., He, L., Wang, J., Liu, Y., Xue, X., He, S., ... & Wang, Z. L. (2023). Self-powered recycling of spent lithium iron phosphate batteries via triboelectric nanogenerator. Energy & Environmental Science , 16(9), 3873-3884.
