中国科学院成会明：废旧锂电池重生与再利用“新途径”

中国科学院院士成会明表示，在双碳战略下，电化学储能将迅猛发展，预计到2050年将达到数百GW。

　　从电池材料体系来看，目前电化学储能还是以锂离子电池为主，而受新能源汽车动力电池快速增长影响，未来锂离子电池使用量将急剧上升。“随着使用量的增加，废旧锂离子电池的量也将呈现指数级增长，预计到2023年就将突破50万吨，然而全球来看，目前锂电池回收比例尚不足5%。”成会明指出，与此同时，锂离子电池需要的贵金属资源，尤其是锂、钴等，我国资源有限，存在被“卡脖子”风险。

　　在成会明看来，电池回收意义重大：既能缓解锂电池的资源短缺，确保能源战略安全，也关乎新能源产业的可持续性发展。需要指出的是，电池回收发展任重道远，需要材料、环境、机械、信息等多学科交叉，共同推进行业的发展。

　　据成会明介绍，现有的废旧锂电池回收方法主要有火法和湿法两种，这两种回收方法均基于正极材料结构的破坏与有价金属元素的提取，而电极材料结构稳定，必须使用较为极端的条件，如高温、强酸等方法破坏正极材料中的化学键，且提取过程冗长。

　　成会明指出，现有回收技术面临如下挑战：

　　一、基于结构破坏-再提取思路的湿法、火法回收方法流程长、能耗高。

　　二、回收外加试剂的成本与排放不宜控制。

　　三、回收产物应用具有局限性、经济性不高。

　　针对当前废旧锂电池回收痛点，基于其团队多年研究，成会明提出了如下回收思路：

　　从获得单质元素向获得化合物、间接回收向直接回收的转变(回收思路直接化);

　　使用外源试剂向内源的转变(回收流程封闭化);

　　回收产物的功能化、多样化、高值化(回收产物功能化)。

　　以直接回收法：失效磷酸铁锂的直接修复及其氮修饰为例，失效的磷酸铁锂中存在明显的Li+空位和 Fe-Li 反位缺陷(电化学循环过程中属于Fe位的Fe 迁移到 Li位)，他们团队开发出多功能溶剂且添加锂源，通过水热和短暂煅烧的方式对Li+空位和Fe-Li 反位缺陷进行同步修复。

　　由于长时间循环，失效的磷酸铁锂在临近表面区域出现了磷酸高铁相(Li+ 空位造成)和Disorder的区域，还有一部磷酸铁锂相(提供残余容量)。

　　修复后磷酸铁锂形成结构均一，元素分布均匀的磷酸铁锂相。对FePO4和Disorder 区域进行了有效修复。

　　在对失效磷酸铁锂修复的同时，对磷酸铁锂实现了氮掺杂。这对磷酸铁锂的电化学性能有极其重要的作用。

　　修复后的磷酸铁锂恢复到商业磷酸铁锂的容量，极化明显减少，界面稳定性、倍率性能和高低温性能得到了极大的改善;由于N掺杂，因此修复后的磷酸铁锂展现出比商业磷酸铁锂更优异的循环稳定性;修复后的磷酸铁锂在高倍率下(5C，10C) 仍具有优异的循环稳定性。

　　演讲中，成会明院士还详细介绍了回收流程封闭化和回收产物功能化的研究和应用情况。

　　最后，成会明指出，建立电池回收与利用体系是一个系统工程，需要立法、储运、回收技术、便于回收的电池设计、可溯源性多方面的协同创新，需要多学科交叉，包括材料、机械、信息等领域的协同发展，“未来理想的回收体系，应该是电池全生命周期可溯源、拆解分选自动化、电池材料直接再生等创新技术的集成。”

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