為此，美國(guó)萊斯大學(xué)的一支工程師團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種新型電化學(xué)反應(yīng)器，可從報(bào)廢電池中直接回收高純度鋰，大幅減少傳統(tǒng)冶煉和化學(xué)提取帶來(lái)的能耗與污染。相關(guān)成果已于 11 月 7 日發(fā)表于能源科學(xué)期刊《Joule》。

　　目前，大多數(shù)電池回收工藝依賴(lài)高溫冶煉或強(qiáng)酸浸出，所得鋰通常以碳酸鋰形式存在，還需進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氫氧化鋰后才能重新用于電池制造。于是，科研團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)更直接的思路：如果電池在充電時(shí)會(huì)“釋放”出鋰離子，能否用同樣的反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)回收?

　　團(tuán)隊(duì)由研究人員西巴尼?麗莎?比斯瓦爾(Sibani Lisa Biswal)領(lǐng)導(dǎo)，她解釋道：“我們提出了一個(gè)基本問(wèn)題 —— 既然給電池充電能讓鋰從正極中脫出，為什么不利用同樣的反應(yīng)來(lái)回收?通過(guò)將這種化學(xué)反應(yīng)與緊湊型電化學(xué)反應(yīng)器結(jié)合，我們能夠清潔地分離鋰，并直接生成制造商所需的氫氧化鋰?！?/p>

　　該反應(yīng)系統(tǒng)的工作原理與電池類(lèi)似。當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，鋰離子從廢棄正極材料(如磷酸鐵鋰)中釋放出來(lái)，經(jīng)由一層陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入流動(dòng)的水流。在另一側(cè)電極上，水被分解產(chǎn)生氫氧根離子，隨后鋰離子與氫氧根在水流中結(jié)合，生成高純度的氫氧化鋰，全程無(wú)需額外化學(xué)藥劑。

　　研究團(tuán)隊(duì)展示了一種“零間隙膜電極反應(yīng)器”，其運(yùn)行僅依靠電能、水和電池回收物(再生黑粉)。在部分模式下，能耗低至每公斤廢料 103 千焦，比常見(jiàn)酸浸法的能量需求低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　該系統(tǒng)不僅在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上驗(yàn)證成功，還完成了實(shí)際耐久性測(cè)試。面積 20cm2 的樣機(jī)連續(xù)運(yùn)行 1000 小時(shí)，處理了來(lái)自法國(guó)道達(dá)爾能源的 57 克工業(yè)級(jí)電池黑粉。

　　研究員王浩天(Haotian Wang)表示：“直接生產(chǎn)高純度氫氧化鋰可以縮短廢料回到新電池的路徑，這意味著更少的工序、更低的廢棄物，以及更具韌性的供應(yīng)鏈?！?/p>

　　測(cè)試結(jié)果顯示，該反應(yīng)器生成的氫氧化鋰純度超過(guò) 99%，在不同運(yùn)行模式下能耗介于每公斤 103 至 536 千焦之間，平均鋰回收率接近 90%。此外，該工藝兼容多種電池化學(xué)體系，包括磷酸鐵鋰、錳酸鋰以及多種鎳錳鈷配比的電極材料。

　　團(tuán)隊(duì)還展示了連續(xù)處理整卷磷酸鐵鋰電極的“卷對(duì)卷”(roll-to-roll)實(shí)驗(yàn)，無(wú)需預(yù)處理或剝離鋁箔。

　　王浩天指出：“這一演示說(shuō)明該技術(shù)可直接嵌入自動(dòng)化拆解生產(chǎn)線中。只需將電極送入反應(yīng)器，用低碳電力驅(qū)動(dòng)，即可提取電池級(jí)氫氧化鋰?！?/p>

　　未來(lái)研究將著重?cái)U(kuò)大反應(yīng)面積、提高黑粉裝載量，并開(kāi)發(fā)更具選擇性和疏水性的膜材料。團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃優(yōu)化氫氧化鋰的濃縮與結(jié)晶過(guò)程，以進(jìn)一步降低能耗與碳排放。比斯瓦爾表示：“我們讓鋰的提取過(guò)程更清潔、更簡(jiǎn)化。接下來(lái)要攻克的瓶頸是濃縮環(huán)節(jié)，一旦突破，將帶來(lái)更高的可持續(xù)性?！?/p>