美国莱斯大学将废弃锂电池放入特制的DES溶剂后,再用微波辐射加热,让溶剂快速选择废料中的锂金属。图为可用USB进行充电的锂电池。(David Mcnew/AFP)
人们对于锂金属的需求不断增加,但开采、提炼、回收锂金属都会对环境造成污染,若使用对环境友善的回收方法,则存在效益低下的问题。近期,美国一大学研发出一种高效、低耗能的方法回收锂,可减少化学回收造成的污染。
锂电池上最关键的是锂金属,这些东西用于电子产品、电动车,甚至到电网的储能系统上。据一些统计数字显示,2023年全球锂电池的市场价值估计为500亿到600亿美元左右,且预计十年后成长至1,000多亿美元。
不过,随着锂电池市场不断扩大,可能造成电池中常用的锂(Li)、钴(Co)和镍(Ni)金属出现供应短缺的问题。因此一些人将目标转向废弃的锂电池,希望能从中回收金属进行再利用。
尽管传统的锂电池回收方法在经济上可行,但使用的浸出剂是浓酸、强还原剂或腐蚀剂,容易对环境造成污染,而过去使用对环境负担较小的低共熔溶剂(DES)进行湿式冶金回收的方法只能回收不到5%的锂,不符合经济效益。因此,大多回收业者将目标集中在钴、镍等过渡金属上。
今年6月底,《先进功能材料》上发表了一项新的研究成果:美国莱斯大学(Rice University)将废弃的锂电池放入特制的DES溶剂后,再用微波辐射加热,让溶剂能够快速选择性地回收锂金属。
研究团队之所以选用DES溶剂,是因为它可以从不同的样品中萃取并分离出不同的目标成分,具有对环境友好、制备简单、成本低、易生物降解等优点。
研究人员拿氯化胆碱(ChCl)、乙二醇(EG),以3比2的比例制成的DES溶剂,再用微波辐射作为加热辅助,只需30秒就能萃取锂金属,效率高达50%;在30分钟内,萃取率接近100%。
之所以选用氯化胆碱和乙二醇,是因为乙二醇可以让钴、镍氧化物形成氢键,再与氯化胆碱中的氯离子形成可溶性氯金属酸盐化合物。
另外,氯化胆碱具有善于吸收微波的特性,因此研究人员将电池废料浸入溶剂中时,藉由微波辅助加热,达到缩短溶液与电池废料的反应时间,让其能在30秒内快速萃取锂,且过程中无需使用额外的还原剂。
此外,微波辐射热效应还减少了颗粒聚集,促进了大孔和裂缝的形成,增加电池废料和DES溶剂之间的接触面积使金属萃取加速。
研究人员发现,这种基于微波的工艺与油浴等传统加热方法相比,只需要15分钟就能达到87%的萃取率,而油浴加热则需要16到18小时才能达到相同的回收率。
他们还发现,使用基于微波的工艺,反应持续30分钟,锂、钴、镍浸出效率分别为96.6%、37.2%和31.5%。若该方法在160°C到180°C时,也能保持锂萃取的选择性,但220°C时的表现更良好。
这种快速微波方法不仅减少时间和能量消耗,提高回收效率,还防止了DES因长时间加热,导致过快的降解问题并提高其循环寿命,有助于改善锂电池回收的经济性和对环境的影响,并提供可持续的解决方案。
这种方法还可以应用于具有不同成分的DES系统,以尝试快速提取其它种类的金属,让DES系统被赋予对特定金属的选择性。
论文的主要作者之一、莱斯大学博士生萨尔玛‧阿尔哈希姆(Salma Alhashim)表示:“目前锂电池的回收率低下,原因在于电池废料中的其它金属会先沉淀,最后才是锂金属沉淀。这里我们用氯化胆碱和乙二醇混合出DES溶剂,让锂金属被氯化胆碱中的氯离子包围后,能够快速萃取出来。”