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北京理工大学陈人杰教授Chem Soc Rev:二次电池回收综述

从可持续的角度提供可充电电池回收的系统性概述,提出与电池回收相关的最先进的基础研究和工业技术,特别关注于锂离子电池回收。总结了电池回收的新机遇,挑战和未来前景。对于电池回收的未来发展,建议重新解释3R策略:重新设计,重复使用和回收利用。

 不断增长的能源需求和环境的恶化促使人们追求可持续能源和存储技术。作为整合可再生资源和电力运输的可充电电池正在经历前所未有的快速发展。然而,由于电池生产使用一些有毒材料和稀有资源会造成环境破坏和资源短缺,因此在开发电池系统时必须考虑电池回收。

近日,北京理工大学陈人杰教授从可持续的角度提供可充电电池回收的系统性概述,提出与电池回收相关的最先进的基础研究和工业技术,特别关注于锂离子电池回收。总结了电池回收的新机遇,挑战和未来前景。对于电池回收的未来发展,建议重新解释3R策略:重新设计,重复使用和回收利用(原来的3R策略是:reduce, reuse,recycle;新的3R策略是redesign, reuse,recycle)。目前这项工作已发表在Chem. Soc. Rev.(IF=40.182)之上。

 

陈人杰Chem Soc Rev:二次电池回收综述

图1.(a)2017年世界能源消费量;(b,c)2017年和2040中可再生能源占可再生能源的百分比。(d)从1979年到2003年的二氧化碳当量浓度和AGGI(等效二氧化碳气氛量)

2017年世界能源消耗量为586千万亿英热单位(Btu),可再生能源占13%,据预测到2030年世界能源消费总量将增加到663千万亿Btu,到2040年增长到736万亿Btu,而化石燃料的不可持续性意味着可再生能源是转化为电力供应是能量需求增长最快的能源形式,同时可再生能源的使用也对减缓温室效应有着极大助推作用。因此,迫切需要先进的储能技术来最大化实现可再生能源的使用。

陈人杰Chem Soc Rev:二次电池回收综述图2.(a)2010年至2017年各国电动汽车(EV和PHEV)库存的演变情况; (b)2010年至2017年按国家/地区新增的电动汽车(EV和PHEV)注册;(c)基于IEA(国际能源机构)、工业预测、EIA(能源信息管理局)的观点 需求和可用的EOL LIB;(d)2010年至2018年5月可充电电池主要金属的平均价格;(e)2017年钴平均价格的变化。 

可充电电池如锂离子电池和铅酸,镍氢和镍镉电池对于电气化运输和大规模电网储能应用非常重要,预计2025年全球电池市场总规模将超过1000亿美元。2010年至2025年间,电池年增长率为10%,这就意味着有大量报废的电池等待处理,但废旧可充电电池含有重金属元素,如有害的镍(Ni),钴(Co)和Pb。如果处理不当,对人类健康和环境会造成重大影响。除此之外有机酸和强碱/强酸可充电电池的电解质也会对环境造成污染。而且废旧电池中的重金属回收可以极大地缓解资源短缺的问题。因此,废弃可充电电池的回收是非常需要的,从经济和环境的角度来看都是有益的。 

对于锂离子电池回收过程的目标是将废电池的组件分成不同的部分,这些部分可以重新引入有用材料的生产中特别是Co,Li和Ni。目前的回收技术可分为两大类:基于高温热解的火法冶金和基于低温溶液化学反应的湿法冶金。由于LIB的多种类型和尺寸以及复杂的化学组成使其回收复杂化。关于LIB的最佳回收过程尚未达成共识,这两种回收技术仍有很大的改进空间。除了最有价值的阴极材料外,现在更多的注意力集中在电池的其他组件上,包括电解质和阳极。

二次电池的生产每年以高速率增长,因此迫切需要解决相应的废电池回收问题。为了实现高度可持续的回收利用,需要从源头转向材料和结构设计。拟议的“3R和3E”战略为电池回收提供了新的视角,并指导了该领域的未来发展方向。作者在文中涉及了四种经典的可充电电池的回收及再利用,并从多个方面论证了废旧电池回收再利用的必要性和可行性。

 

本文结构框架

1、序言

2、二次电池的结构和组成

3、不同电池类型和部件的回收策略

    3.1预处理

3.1.1手工预处理

3.1.2机械预处理

    3.2火法冶金

    3.3湿法冶金

3.3.1沥滤

3.3.2溶剂萃取

3.3.3化学沉淀

3.3.4其他合成方法

3.3.5重新合成正极材料等高附加值产品

    3.4负极和电解质回收

3.4.1负极回收

3.4.2电解质回收

    3.5铅酸电池回收

3.5.1火法冶金

3.5.2湿法冶金

    3.6镍基电池回收

    3.7电池回收的一般性技术和试剂

4、工业化实际应用

5、电池回收寿命循环评估

    5.1定义和阶段

    5.2再循环过程的寿命循环评估

6、电动车用蓄电池的二次利用

    6.1二次利用的动机和定义

    6.2镍氢电池的二次利用

    6.3经济可行性分析

    6.4技术可行性分析

    6.5环境可行性分析

    6.6市场可行性分析

7、法律法规和条例

8、机遇、挑战及未来展望

9、总结

 

陈人杰Chem Soc Rev:二次电池回收综述

图3. 四种类型可充电电池的结构和组成以及回收的重要性

陈人杰Chem Soc Rev:二次电池回收综述

图4. LIB的完整回收过程和技术

陈人杰Chem Soc Rev:二次电池回收综述

图5.(a)在不连续破碎过程的不同阶段释放气体浓度;(b)在破碎过程中来自未循环和循环电池大量释放的EMC,DMC和CO2气体。LIB电池的每个尺寸部分中金属组分的质量百分比分布:(c)LCO,(d)LFP,(e)混合金属阴极,和(f)LMO

 

Xiaoxiao Zhang,Li Li,Ersha Fan, QingXue, Yifan Bian, Feng Wu, Renjie Chen, Toward sustainable andsystematic recycling of spent rechargeable batteries, Chem. Soc. Rev., 2018, DOI:10.1039/c8cs00297e

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评论列表(1条)

  • Iris 2018年8月23日 下午2:32

    很全面的总结,赞

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