鋰離子電池是幾乎所有電動汽車、筆記型電腦和智慧手機的核心，對於在氣候緊急情況下儲存可再生能源至關重要。但是，世界上所有當前的採礦作業都無法提取足夠的鋰和其他關鍵礦物來滿足對這些電池飛漲的需求。建立新礦山是一項昂貴且耗時數年的工作。採礦還會造成一系列環境問題——例如耗盡當地水資源和用徑流碎片汙染附近區域——這已導致對新礦山的抗議。
所有這些都意味著，回收現有電池的能力對於可持續地轉變全球能源系統至關重要。但是，鋰離子電池的回收利用只是最近才取得商業進展。電池製造商對回收產品的質量可能低於用新開採的礦物製造的產品感到猶豫，這可能會導致電池壽命縮短或電池內部損壞。後果可能很嚴重，尤其是在電動汽車等應用中。
但是，發表在《焦耳》雜誌上的新研究發現了一種更優雅的回收方法，該方法翻新了正極——正極是鋰離子電池中最昂貴的元件，也是提供適當電壓的關鍵，它是經過精心製作的晶體。研究人員發現，他們用新的正極回收技術製造的電池效能與用全新正極製造的電池一樣好。事實上，使用回收正極的電池壽命更長，充電速度也更快。美國陸軍研究實驗室的電化學家徐康（音譯）表示，該團隊的方法和成功的演示“非常獨特，非常令人印象深刻”，他沒有參與這項研究。
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不再是笑話
伍斯特理工學院的材料科學教授、新研究的合著者王燕（音譯）在 11 年前開始研究電池回收。他說，當時“有人和我開玩笑說，‘沒有足夠的電池供你回收。’”這個笑話已經不好笑了。美國能源部估計，未來十年電池市場可能增長 10 倍。美國能源部車輛技術辦公室主任戴夫·豪厄爾表示，為了緩解市場日益增長的陣痛，“鋰離子電池的回收利用——將這種材料重新投入供應鏈——至關重要”。美國能源部資助了這項新研究，這是其大規模努力的一部分，旨在刺激美國的大規模電池回收創新。
當鋰離子電池供電時，鋰離子簇從一個晶體“籠子”（負極）移動到另一個晶體“籠子”（正極）。目前用於回收這些電池的最常見方法包括拆卸和粉碎整個電池，然後將其全部熔化或溶解在酸中。其結果是一種黑色物質——其質地從粉末到粘稠物不等——可以從中回收化學元素或簡單化合物。然後，這些回收的產品可以像新開採的元素一樣，經過相同的商業製造過程來製造正極。
用 X 射線顯微鏡拍攝的回收正極顆粒 (A) 和用新材料製成的顆粒 (B) 的橫截面。比例尺在 (A) 中為 10 微米，在 (B) 中為 5 微米。圖片來源：“回收正極材料實現了鋰離子電池的卓越效能”，作者：Xiaotu Ma 等人，發表於《焦耳》雜誌，第 5 卷，第 11 期；2021 年 11 月 17 日 DOI：https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.09.005
王和他的同事使用了非常相似的工藝——但他們的技術並沒有將電池完全分解為其組成化學元素，而是保留了舊正極的一些關鍵成分。在粉碎電池後，他們物理去除不太昂貴的部件（如電子電路和鋼製電池外殼）並單獨回收。剩下的大部分是正極材料；他們將其溶解在酸中，然後去除雜質。接下來，他們仔細新增少量構成正極的新鮮元素，例如鎳和鈷，以確保成分比例恰到好處——這是與常見回收方法的另一個區別。經過更多步驟後，最終得到的是一種有效重新整理的正極粉末，它由微小的晶體顆粒組成，這些晶體顆粒可以粘在金屬條上並放入“新”電池中。
由於正極是由精確混合的貴金屬礦物製成的，以實現電池的特定電壓，因此其結構或成分的細微變化都可能損害其效能。因此，正極粉末的大部分價值“在於你最初如何設計粉末顆粒”，英格蘭伯明翰大學的能源材料教授艾瑪·肯德里克（Emma Kendrick）說，她沒有參與這項新研究。如果像當前的回收方法那樣，簡單地將整個電池熔化或溶解，這種價值就會喪失。
更多孔隙，更快充電
王和他的同事將回收正極粉末中的顆粒與商業製造的正極粉末（主要由新開採的礦物製成）中的顆粒進行了比較。他們發現，回收的粉末顆粒更具孔隙性，每個顆粒的中心都有特別大的空隙。這些特性為正極晶體提供了在鋰離子擠入時略微膨脹的空間，這種擺動空間可防止晶體像從頭開始構建的正極那樣容易破裂。這種破裂是電池隨時間推移退化的主要原因。
更多孔隙也意味著更多的暴露表面積，這是充電電池所需的化學反應可能發生的地方——這就是為什麼王的回收電池比商業製造的同類產品充電速度更快的原因。王說，未來的目標可能是將所有正極設計成具有這種優越的結構，而不僅僅是那些用回收材料製成的正極。
阿貢國家實驗室的交通分析師兼 ReCell 中心首席科學家琳達·蓋恩斯（Linda Gaines）表示，最新的研究結果表明，“他們可以製造的正極與我們一直在進口的商業材料一樣好，甚至更好”，該組織研究和促進電池回收。（蓋恩斯沒有參與這項新研究。）此類進口主要來自中國，中國在電池回收領域處於世界領先地位。但是這種情況意味著材料必須在全球範圍內轉移才能進行回收，這增加了回收電池的碳足跡，並降低了其作為更可持續途徑的吸引力。王的團隊開發的方法減少了大量的國際貿易和運輸需求，為其他國家加強國內電池回收開闢了潛在途徑。該工藝目前正在由 Ascend Elements（前身為 Battery Resourcers，王共同創立的一家回收公司）擴大規模。