大年夜连化物所提出一步法电池收受接收工艺实现向下一代储能电池的转变

此前，他曾担当加拿大滑铁卢大学清洁能源前辈材料实验室主任、滑铁卢大学电化学能源中央主任，他的名字叫陈忠伟。

2023 年，陈忠伟全职返国加盟大连物理化学研究所。

图 | 陈忠伟（来源：资料图）

这是一种高附加值的再生方法，通过选用更加环保的有机酸，不仅大大提高了电池回收效率，也降落了电池回收本钱。

目前，我国 90% 以上的镍和钴资源依赖入口，而废旧锂电池中蕴含这些高价金属元素。

2022 年，我国回收废旧锂电回收共 300258 吨。
个中三元废物 188692 吨，磷酸铁锂废物 94551 吨，钴酸锂废物 17015 吨。

而该课题组提出的高附加值再生方法，在一步法的帮助之下，能将退役回收的正极材料中的高价金属元素浸出回收，进而作为质料并通过一步法开展共沉淀过程，从而再天生为全新的正极材料。

随后，正极材料可被用于下一代低本钱、高安全的钠离子电池中，实现向下一代储能电池的转变。

如今，碳酸锂的价格已经上涨到每吨 45 万多元。
在这种情形之下钠离子电池的上风不断突出，以钠为质料的氯化钠价格每吨只要几千元，同时安全性和低温性能也更高。

而在本次研究之中，该团队通过回收的方法，将退役的锂离子电池正极材料，转化为低本钱的钠离子电池正极材料，大大降落了储能电池的本钱，为低本钱钠离子电池的商业化铺平了道路。

日前，干系论文以《锂离子和后锂离子电池废阴极的可持续再生》（Sustainable regeneration of spent cathodes for lithium-ion and post-lithium-ion batteries）为题发在 Nature Sustainability（IF 27.6）。

杨庭舟是第一作者，大连化物所陈忠伟院士与张永光研究员担当共同通讯作者[1]。

图 | 干系论文（来源：Nature Sustainability）

提前布局蓝海市场

事实上，课题组开展本次研究基于一个伟大的新能源背景。
2023 年，环球累计交付 1420 万辆新纯电动汽车和插电式稠浊动力汽车。

美国和加拿大的电动汽车销量同比增长 46%，中国同比增长 36%。

与电动汽车大产大销形成光鲜比拟的是：退役动力电池回收环节的规范化回收率较低，无法知足即将到来的新能源汽车大规模集中退役潮，因此动力电池回收难题急需得到办理。

动力电池回收，紧张包括梯次利用和循环利用。

在梯次利用中，如果电池容量处于 20%-80% 之间，就能用于储能电站、两轮电动车、太阳能储能系统、通信基站等。

在循环利用中，如果电池容量低于 20%，就要进行报废和拆解处理，进而提取里面的高代价金属元素。

目前，商业化循环利用紧张采纳繁芜的萃取-沉淀-煅烧三步法工艺，并选用强酸作为萃取剂，导致废液很难被再回收处理。

多年来，该团队以面向低本钱、高容量、高安全性、高便利性的新型电池技能需求为出发点，聚焦动力电池领域的干系问题，开展了环绕电化学、能源、材料、人工智能等多学科交叉领悟的研究。

课题组理解到：仅 2023 年我国退役动力电池总量就超过 58 万吨。
估量到 2030 年，我国动力电池回收市场规模将打破千亿元。

这样一个弘大的市场规模，匆匆使他们针对动力电池的可持续回收开展了持续研究，借此得以提前布局这一蓝海市场。

近几十年来，随着技能的进步和本钱的降落，目前在消费电子和交通电气化等行业，锂离子电池霸占主导地位。

但是，上述两个驱出发分都显示出发展放缓的迹象。

在无锂领域，钠离子电池被认为是最有出息的技能之一。

据宁德时期公司发布的数据显示，该公司的第一代钠离子电池的能量密度达到 60Wh/kg，常温下充电 15 分钟就能存储 80% 以上的电量，在零下 20 度的低温环境中拥有 90% 以上的放电保持率。

（来源：Nature Sustainability）

实现向低本钱钠离子电池的转变

而在更早之前，陈忠伟团队在钠离子电池、以及下一代高性能钠基正极材料的研究中创造，钠基正极须要的过渡金属元素，与退役动力电池富含的高代价过渡金属元素恰好吻合。

于是，他们设想通过设计回收方案，利用电池回收的办法，实现向低本钱钠离子电池的转变。

一开始，课题组定下了“四高”的研究目标：高效率、高安全、低本钱、高性能。

在对电池回收流程进行深入理解之后，他们改造了此前锂电池正极制备时利用的全稠浊厌氧反应器进，进而打造了一步发正极再生工艺。

基于前期该团队在钠基正极上设计的掺杂工艺，历经近百次的配方调度之后，终于利用退役正极材料制备出了多种钠基正极材料。

这些材料的构造呈现出均匀的立方体形状，且都具备较高的性能。

为进一步验证钠基正极材料的可行性，课题组开展了初试放大实验和中试放大实验，实验结果显示这些钠基正极材料可以知足商业化放大的哀求。

（来源：Nature Sustainability）

为了比拟一步法电池回收工艺与传统三步法回收工艺之间，该团队建立了一整套生命周期剖析模型和经济技能剖析模型。

通过此，针对动力电池技能和电池回收技能从原材料冶金、到电池报废回收的全生命周期，课题组开展了仿照剖析，并磋商了干系电池技能的可行性和利润率。

据先容：

全生命周期剖析，涉及从原材料开采、生产、利用、废弃处理的所有环节。

个中包括原材料提取对付环境的影响、生产过程的能源花费和排放、电池的利用阶段、以及废弃电池的处理办法。

经济技能剖析，则涉及到对付锂电池生产本钱、效率、可持续性、以及市场前景的评估。

个中会考虑生产过程中的投入与产出、以及电池的性能、寿命和本钱效益等成分。

综合考虑全生命周期剖析和经济技能剖析，能更好地评估锂电池作为能源存储办理方案的可行性和可持续性，以及其在能源体系中所扮演的角色和发展趋势。

据理解，回收再生动力电池不仅能降落制造新电池的本钱，还能大幅减少电池生命周期内的碳排放，从而推动绿色低碳发展。

未来，该团队将持续关注退役动力电池的可持续回收，从电池设计、电池破碎分离和正极材料再生三个方面开展事情。

在电池设计方面，须要在设计阶段就考虑循环利用和拆解的便利性。

针对此：

首先，可以采取模块化设计，使电池组件更易于分离和改换。

其次，可以利用环保且可再生的材料，减少有害物质的利用，帮助降落回收过程中的环境污染。

再次，通过标明电池材料的种类和比例，以便在回收过程中进行分类和处理。

末了，研发可重复利用的电池包装和外壳，也能提高整体回收效率。

而对付退役动力电池的破碎和分离，课题组操持首先通过机器破碎，将电池拆解为较小的颗粒，随后利用物理方法和化学方法进行分离。
例如，磁悬技能和浮悬技能可以有效去除杂质，提高正极材料的纯度。

在正极材料的可持续再生上，该团队将进一步筛选不同的环保萃取液和正极制备方法，以用于正极材料的再生过程，助力于提高再生材料的质量和效率。

估量这些方法的结合不仅能提升回收效率，还能推动电池回收行业的可持续发展。

（来源：Nature Sustainability）

结合人工智能技能，推出第一代电池数字大脑 PBSRD Digit 1.0

与此同时，课题组也一贯关注人工智能在材料领域的运用。

最近，他们推出了第一代电池数字大脑 PBSRD Digit 1.0。
该系统通过结合电化学模型和人工智能技能，能够实现电池故障早期预警、状态估计、寿命预测等功能。

据先容，第一代电池数字大脑的核心在于构建“电化学模型+人工智能”的模型框架。

这一模型框架不仅能提高电池管理系统的准确性，保障电池的安全可靠性，还能通过机器学习不断优化自身性能、实现自我完善。

而利用该团队在电化学领域的积累，并结合人工智能的数据处理和模式识别能力，他们开拓了一款智能算法，该算法可以实时监测电池状态、预测电池康健状态和剩余利用寿命。

此外，他们还建立了一款电池性能云数据库，通过网络和剖析来自不同场景和不同事情条件下的电池数据，利用这些数据来演习和验证算法模型，确保电池数字大脑的高可靠性和高适应性。

另据悉，陈忠伟院士于 2023 年加盟大连物理化学研究所，随后组建了能源催化转化全国重点实验室学术委员会和动力电池与系统研究部。

目前，陈忠伟已经组建了百余人的科研团队和工程师团队。

个中：

科研团队通过实验和研究，产生新的科技成果；工程师团队则卖力将这些成果转化为可行性产品或办理方案。

通过此，陈忠伟希望加速科研成果的商业化过程，实现从科学创造到市场落地的无缝衔接。

参考资料：

1.Yang, T., Luo, D., Zhang, X. et al. Sustainable regeneration of spent cathodes for lithium-ion and post-lithium-ion batteries. Nat Sustain (2024). https://doi.org/10.1038/s41893-024-01351-5

排版：刘雅坤