科学家找到从电池废料中提取锂的更快、更清洁的方法
锂是清洁能源中的“白金”，是大小型电池的关键成分，从手机和笔记本电脑的电池到电网规模的储能系统。尽管这种银白色金属相对丰富，但由于电动汽车 (EV) 热潮、净零目标和地缘政治因素的影响，采购环境复杂，这种银白色金属可能很快就会出现短缺。锂离子电池(LIB)全球市场价值在 2023 年超过 650 亿美元，预计未来八年将增长 23% 以上，这可能会加剧锂供应方面现有的挑战。
此外，从废旧电池中回收锂对环境造成负担，而且效率极低——由普利克尔·阿贾扬 (Pulickel Ajayan) 领导的莱斯大学研究团队正在努力改变这一现状。
在他们发表在《先进功能材料》上的最新研究中，研究人员描述了一种使用微波辐射和易于生物降解的溶剂进行选择性锂回收的快速、高效且环保的方法。研究结果表明，新工艺可以在短短 30 秒内回收废旧 LIB 阴极中多达 50% 的锂，克服了 LIB 回收技术的一个重大瓶颈。
“近年来，我们看到了锂离子电池使用量的大幅增长，这不可避免地引发了人们对阴极所用关键金属（如锂、钴和镍）的供应问题的担忧，”该研究的两位主要作者之一、阿贾扬管理的纳米材料实验室的莱斯学院博士后研究员索希尼·巴塔查里亚 (Sohini Bhattacharyya) 表示。“因此，回收废旧锂离子电池以回收这些金属确实非常重要。”
传统的回收方法通常涉及强酸，而深共晶溶剂 (DES) 等替代环保溶剂在效率和经济可行性方面一直存在问题。此外，目前的回收方法回收的锂不到 5%，这主要是由于回收过程中的污染和损失以及回收的能源密集性。
“回收率如此之低是因为锂通常在所有其他金属之后最后沉淀，所以我们的目标是弄清楚如何专门针对锂，”该研究的另一位主要作者、莱斯大学博士校友萨尔玛·哈希姆 (Salma Alhashim) 说。
Salma Alhashim（左）和 Sohini Bhattacharyya。
“我们在这里使用的是一种由氯化胆碱和乙二醇混合而成的 DES，从我们之前的工作中得知，在这种 DES 中浸出的过程中，锂会被氯化胆碱中的氯离子包围，并被浸出到溶液中。”
为了浸出钴或镍等其他金属，氯化胆碱和乙二醇都必须参与这一过程。研究人员知道，在这两种物质中，只有氯化胆碱善于吸收微波，因此将电池废料浸入溶剂中，并用微波辐射对其进行轰击。
“这使我们能够选择性地从其他金属中浸出锂，”Bhattacharyya 说。“使用微波辐射进行此过程类似于厨房微波炉快速加热食物的方式。能量直接传递给分子，使反应发生的速度比传统加热方法快得多。”
与油浴等传统加热方法相比，微波辅助加热可以实现类似的效率，但速度几乎快 100 倍。例如，研究小组发现，使用基于微波的工艺，浸出 87% 的锂需要 15 分钟，而通过油浴加热获得相同回收率则需要 12 小时。
“这也表明，只需调整 DES 成分即可实现对特定元素的选择性，”Alhashim 说道。“另一个优点是溶剂稳定性：由于油浴法耗时较长，溶剂开始分解，而微波的短加热周期不会发生这种情况。”
这种突破性的方法可以显著改善锂离子电池回收的经济和环境影响，为日益严重的全球问题提供可持续的解决方案。
“这种方法不仅提高了回收率，而且还最大限度地减少了对环境的影响，这使其成为大规模部署基于 DES 的回收系统进行选择性金属回收的有希望的一步，”该研究的通讯作者、莱斯大学的本杰明 M. 和玛丽格林伍德安德森工程学教授兼材料科学和纳米工程教授兼系主任阿贾扬说。
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