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摘要

钠离子电池(钠电)是与锂离子电池(本文简称锂电,LIBs)互补的有希望成为未来电动车辆和储能系统的关键电源技术。废旧的锂电和钠电在回收过程中面临着相同的环境和经济挑战。锂离子电池可通过回收高价值的锂和钴等金属实现盈利,但钠电的废旧物料估值较低,大幅度降低了盈利能力,可能阻碍其工业回收。因此,在商业化早期阶段应采取预防性策略,以确保钠电设计制造时考虑到易于回收、低运营成本和最佳效率等因素。本文总结了钠电的材料组成,讨论了其回收策略,并概述了钠电回收的相关挑战和未来展望。所提供的见解希望能够帮助钠电行业打造循环经济。

1、引言

碳基能源系统通过消耗化石燃料同时排放二氧化碳产生经济效益,而二氧化碳是全球变暖最主要的贡献因素。向无化石燃料经济转型需要最小化使用碳基能源,同时推广可再生能源系统的利用。各国政府和国际社会通过政策实施,如2015年联合国巴黎气候协定、中国的2060年碳中和计划和瑞典的2017年气候法案等,大力强调减少二氧化碳排放。这些政策促进了电气化和可充电电池的广泛应用。作为一种高性能储能来源,锂离子电池(锂电)在便携式电子设备、电动汽车和可再生能源系统中得到广泛应用。2020年至2021年间,全球电池需求接近960 GWh,约生产了760至1000万吨电池。预计在接下来的几年,市场需求将会倍增,预计到2030年超过3200 GWh(图1a)。因为地壳中锂、钴等资源溃泛,仅靠锂电无法满足快速增长的需求。稀缺的可经济开采的锂储量引发了全球对能源安全的日益关注,同时促使人们开发储量更加丰富的金属离子电池技术,钠、铝、钙、钾、镁和锌等金属作为锂离子电池的替代产品得到广泛研究(图1b)。

钠离子电池(简称钠电,SIBs)是替代锂离子电池技术的领先候选者,其工作原理与锂电相同,具有相似的电池设计和材料体系。钠电可以在锂电现有的制造基础进行大规模生产,使其成为电动汽车和能源储存系统强有力的备选电源。钠电最重要的优势是钠在地壳中的丰度高达23000 ppm(2.3%),超出锂1000倍(20 ppm)。2022年,电池级碳酸锂的价格一度到达每吨78000美元,比碳酸钠的价格高出200多倍。钠电体系的其他优势包括良好的安全性能以及多种正极和负极材料体系。正极体系通常不含锂和钴,材料组成较为廉价。值得注意的是,钠不与铝金属集流体形成合金,这使得铝可以成为钠电唯一需要的金属源。

目前商业化生产钠电的公司包括中科海纳(HiNa,中国)、宁德时代(CATL,中国)、Faradion(英国)、Natron Energy(美国)和Tiamat(法国)。钠电的能量密度通常在100至160 Wh/kg之间,与磷酸铁锂电池相当。预计钠电将取代传统的铅酸电池,并在市场上占据相当一部分锂电的份额,包括低速电动车、家庭电网以及支持太阳能电池和风力涡轮机的储能系统。根据多个钠电市场研究报告,未来十年钠电的需求预计将从2023年的12 GWh增长到2030年的400-500 GWh(图1c),可能占据超过20%的电池市场份额,主要归功于它们在大规模储能系统和电动车辆中的作用。此外,随着其能量密度的提高和在商业化钠电新应用中的发现,预计市场对钠电的未来需求可能飙升至2 TWh,前提是解决与钠电相关的安全问题。

钠电的主要缺点与锂电类似,寿命相对较短。由于容量衰减和电池设备的过时,钠电的平均使用寿命为2-5年。钠电将面临与废旧锂电类似的回收挑战,但由于其不含有促进锂电回收的高价值金属(锂和钴)(图1d)。钠电在回收方面将存在巨大的经济障碍,所以必须在钠电的商业化发展过程中与之并行开发高效的回收方法,就像对锂电所做的那样。

Bruno Scrosati、Michael LainSimone Castillo的研究团队在锂电商业化的早期阶段对回收锂电做出初步努力,搭建了现代锂电回收框架。最近,针对先进电池及其材料,如固态锂电、聚合物电解质和液体电解质,也提出了回收利用的策略。这些技术将大幅提高锂电和其他离子电池技术的可持续性,包括新兴的钠电电池行业。

本文概述了锂电和钠电的材料和组件的差异以及它们对回收的影响。从锂电回收中汲取的经验教训可以用于钠电,以设计出适合其独特性能的高效回收策略。最后讨论了钠电回收中将会遇到的问题和挑战,并提出了未来钠电回收的框架。

2.钠电和锂电的材料

电是在商业化的锂电基础上进行构造(图2a)。从回收的角度来看,钠电和锂电之间的主要区别在于它们使用不同的材料来优化能量密度和降低成本。在结构上,钠电和锂电具有类似的组件。钠电其中,正极占49.56 wt.%,负极占30.59 wt.%,隔膜占2.51 wt.%,电解质占13.01 wt.%,外壳占4.33 wt.%(图2b)。极片由电极活性材料、导电剂和粘结剂组成,通过一定比例混合均匀后涂覆在集流体上。电池通常采用卷绕或叠片方式,最常见的电池形状为圆柱形、方形或软包电池(图3,有关钠电和锂电的详细比较,请参见补充图1)。

2.1正极材料

钠电中常用的正极材料包括层状金属氧化物、聚阴离子和铁氰化物类似物,均由廉价元素组成。层状金属氧化物具有NaxTMO2的结构,其中TM代表过渡金属,如钛、锰、镍、铜或铁。由于NaxTMO2材料与常用的锂电层状材料(如LiCoO2和LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2(NCM333))锂电在结构上具有高度相似性,它们在合成方面具有显著优势。层状金属氧化物的结构分为多种类型,其中P2型和O3型在商业化的钠电中最为常见。HiNa Battery Technology Co., Ltd.使用P2型氧化物(Na0.9Cu0.22Fe0.3Mn0.48O2),而Faradion Ltd.和TerraPower, LLC使用O3型氧化物(NaNi0.33Fe0.33Mn0.33O2)。聚阴离子正极因结构稳定、高的离子迁移率和循环性能优异而闻名,与锂电中的LiFePO4正极材料相当。Na3V2(PO4)3和NaVPO4F材料已显示出超过一万圈循环的稳定性,目前已经被几家公司用于商业化的钠电中,包括广州光宝科技有限公司。铁氰化物类似物正极材料(NaxMa[Mb(CN)6],其中Ma和Mb是过渡金属,如铁或锰)具有三维的Na+通道结构,结构稳定。这些通道促进离子扩散,使钠电能够更快地充放电。包括CATL和Natron Energy, Inc.在内的许多公司正在努力将其商业化应用。

2.2负极材料

锂电中的负极材料通常是石墨,但不适用于钠电。石墨中碳原子的紧密排列阻碍了钠离子在石墨层中的脱嵌。这个不可逆过程降低了电池的容量以及循环稳定性。目前商业化的钠电主要使用含有硬碳和软碳以及少层膨胀石墨颗粒的碳基负极材料。在钠电不久的将来,预计将使用先进的合金材料和钠金属,类似于锂电中硅负极和锂金属的作用。

2.3其他组件

钠电具有与锂电相同的外壳、导电剂和隔膜,但其使用的粘结剂和金属集流体较为简单。外壳的主要类型包括铝塑膜、铝合金、铁合金和塑料等。纳米碳材料通常用作导电剂。隔膜可以分为两类,一类是聚烯烃膜,另一类是涂有陶瓷颗粒的聚烯烃膜。大多数钠电使用聚偏氟乙烯(PVDF)作为两个电极的粘结剂,而锂电使用PVDF作为正极极片粘结剂,羧甲基纤维素钠/丁苯橡胶(CMC/SBR)作为负极极片粘结剂。钠电可以在正极和负极中使用铝箔作为集流体、外壳和接头,而锂电在负极中通常使用铜箔作为集流体。

2.4电解质

钠电和锂电的电解液使用类似的碳酸酯类溶剂,包括碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸丙烯酯(PC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)和/或碳酸亚乙烯酯(VC)等。对于电解质,锂电通常使用六氟磷酸锂(LiPF6),而钠电常使用六氟磷酸钠(NaPF6),同时也有少部分使用高氯酸钠作为电解质。

3.回收钠电的动机

未来大规模商业化的钠电每年将会产生数百万吨的废旧钠电电池。通过锂电长期处置和储存的经验表明,如果不对其进行再生或提高可回收性,钠电会带来环境和安全问题。废旧的钠电中含有残余电荷或结构受损,有可能导致火灾和爆炸危险,危及生命和财产安全。钠电含有大量易燃和可燃物质,不可随意丢弃,钠电处理不当或放电失败可能导致垃圾填埋场和电池回收设施发生火灾,这与锂电的情况相似。即使找到了合适的填埋场,废旧钠电最终也会释放含氟物质和重金属到土壤中,构成重要的环境威胁。重金属的浸出会对当地生态系统产生毒性,污染水源。钠电中使用的原材料虽然比锂电便宜,但仍然富含可提取的Ni, Cu, Mn, V, P和F等。从废旧电池中提取元素比新鲜矿石的开采和加工对环境的影响更小。虽然钠电的经济价值较锂电低30-40%,但废旧钠电的回收理论上仍然具有盈利能力。这种较低的盈利能力有利于梯次利用钠电或材料再生,以降低生产成本。

4.电池回收的要求

电池回收策略必须符合严格的经济和环境标准。遵守既定的排放和能耗法规是必要的。不遵守将降低电池行业的可持续性,并可能引发不利于电池回收行业政策的制定。回收必须保持经济盈利,以鼓励更多的企业继续参与回收过程。否则,工厂亏损,需要持续的政府资金支持。然而,以经济为导向的回收策略如果忽视对环境有害的电池组分任意排放,将会损害人们对电池回收的认知,并对人体健康产生负面影响。另一个考虑因素是电池组件的回收和再制造需要大量的能源和资金投入,增加了回收的环境和经济负担。

钠电电池回收过程对环境的影响主要取决于电池材料的性质和回收方法的选择。对于锂离子或钠离子单体电池,除了正极活性材料和集流体外,其他所有组分:电解质、隔膜、粘结剂、导电剂和负极活性材料等都含有碳元素,占电池总质量的40%。如果仅通过传统火法冶金回收,那么每回收100万吨电池将产生约150万吨的二氧化碳;除了直接的污染物外,回收过程还必须考虑热处理产生的间接污染物,如二恶英和含氟物质。值得注意的是,含氟物质(如NaPF6和PVDF)约占电池总质量的3%,氟含量约为1.4 mol kg-1电池。因此,在整个回收过程中监测和减少这些化学物质的生成是必要的。

充分发挥电池回收的经济价值至关重要。回收应该视为电池制造过程的逆过程。电池生产始于处理含有相关元素和化合物的原材料,将其转化为用于生产完整电池的前驱体和组件(图4)。每一道工序都凝聚着大量的人力、物力和财力。随着每个制造阶段的进行,原材料被加工成为完整电池,经济价值也随之增加。经济价值可以用一个“价值金字塔”来表示,从底部的初始元素到顶部的完整电池,价值逐渐增加(补充图2a)。因此,对于回收过程,直接再生废旧电池比再生电极材料或其他电池组分更经济高效(补充图2b),最低效的回收策略仅涉及回收电池组分的某种组成元素。不幸的是,大多数电池回收公司采用后一种策略。

理想情况下,电池回收程序的设计应最大限度地提高经济效益,同时尽量减少对环境的影响。这一目标可以通过考虑金字塔价值结构的最先进回收方法来实现。

5.回收策略

电池及其组成材料的回收策略选择决定了电池回收过程的能源消耗、排放、回收效率和盈利能力。废旧电池的处理可分为预处理和后处理两个阶段,预处理包括将废旧电池粉碎或精确分离为单独的组件或材料,在后处理阶段对其进一步分离、纯化、利用和提取。

5.1预处理

最常见的预处理方法是对废旧电池进行完全放电,以机械方式将其破碎。正极和负极材料,粉碎成微米或纳米级颗粒,。隔膜、外壳和集流体转化为毫米到厘米级的碎片。产生的粉末使用火法冶金(pyro)或直接物理方法进行处理(图4,详见补充图3以获得钠电回收过程的更具说明性描述)。火法冶金涉及将粉末(或完整电池)加热到高温,并将金属元素转化为矿渣收集。在热处理过程中,分解、还原和蒸发反应通过气体排放去除可燃物质。直接方法等效于机械处理:根据颗粒大小、密度和磁性的差异将其分离成正极材料、负极材料、塑料和金属。

理想的废旧电池回收过程应按组装的相反顺序拆卸电池。精准分离回收策略中,电池的各个组件被拆解,然后在必要时分离成它们的组成材料,并从不能直接修复使用或再生的材料中单独提取有价值的元素。因此,外壳、正极、隔膜、负极和电解质可以以相对完整的形式获得。某些组件由多个子部件组成;例如,正极包括集流体、活性材料、导电剂和粘结剂,这些子部件可以进一步分离成单独的材料。

5.2后处理

分离的材料和组件的后续处理取决于它们固有的化学性质(补充图4)。现代回收研究主要关注于正负极材料的再生、转化和浸出。电池容量的衰减主要原因是在固体电解质界面中活性钠的损失、材料界面失效和材料结构的损坏。因此,通过结构修复再生和去除界面杂质,废旧电池正负极材料的电化学性能在理论上是可以得到恢复。负极碳材料修复相对较为简单,因为仅通过热处理可以去除表面杂质并修复。

湿法冶金(hydro)用于从分离的材料中提取有价金属离子,一般可与火法冶金和直接法相结合在工业电池回收中使用。在这种情况下,粉碎的混合物经过低温热处理,并通过直接方法进行粗略分离。分离的正极材料可以使用湿法冶金方法提取元素进行固定或合成新材料。

另外回收的电极材料可以用于新电池以外的应用。例如,负极材料可以转化为石墨烯、多功能碳材料和催化剂。回收的正极材料也可以合成高性能催化剂。

回收和再利用非活性材料(金属、隔膜、导电剂和电解质)对于增加废旧电池价值和增强电池行业的可持续性至关重要。这些材料通常占电池总成本的30%。金属组件,如铝合金外壳和金属铝箔,可以在电池生产中进行再制造和重复使用。隔膜相对稳定,但在电池使用过程中结构会发生轻微的变化,使其不能重复使用。幸运的是,回收的隔膜可以在工程塑料中重新利用。回收的电解质含有不稳定的盐,如NaPF6和LiPF6,在存在微量水的情况下便会分解,需要通过转化并固定提取任何有价值的元素。

5.6钠电和锂电的回收比较

由于钠电和锂电具有类似的结构和材料组成,废旧钠电可以使用已有的锂电回收策略进行回收,但某些策略可能需要进行调整以适应材料的差异(补充图5)。

从安全角度来看,废旧钠电和锂电都容易受到几种风险的影响,包括有毒电解液的挥发与分解;负极中金属沉积引起的不完全放电、短路甚至爆炸以及电池老化过程中产生的可燃和有害气体的排放(如H2、CO和CxHy)。因此,采取适当的安全措施是有效减轻这些潜在危害的必要条件。

从技术角度来看,钠电和锂电的预处理过程非常相似。机械破碎方法要求首先对两种类型的电池进行放电。与废旧锂电不同,废旧钠电通常需要进行完全放电,因为与锂或锂化石墨相比,钠金属和钠化碳材料与空气的反应性更高。然而,进一步处理粉碎后的钠电粉体锂电相对容易,钠电因为钠离子基本不需要回收,而且钠离子电池内部的材料体系也相对简单

火法冶金对于钠电比锂电更具吸引力,因为含钠化合物不太可能在高温下挥发,并且由于钠的天然丰度,回收钠的必要性较小。此外,钠电粉体的物理分离更加容易,因为钠电集流体、外壳和极耳使用的金属都是铝,而锂电则还含有铜和镍。钠电的精准分离在预处理阶段与锂电相同,进一步的电极分离过程取决于粘结剂的性质,可以通过修改粘结剂的性质以便于回收。原则上,如果后处理的目标只是提取其中有价值的元素,那么可以将废旧钠电和锂电一起粉碎。

对于正负极活性材料的后处理过程,例如杂质去除、元素提取和材料再生, 钠电通常比锂电更简单。同时需要针对钠电特有的材料开发新的工艺,例如基于聚阴离子材料和普鲁士蓝类似物的正极材料。新方法的开发将取决于那种类型的材料在商业钠电竞争中更占优势。对于其他材料,如隔膜、电解质、外壳、铝箔等,情况也是如此。含有少量碳材料、铝箔和界面残留物钠电的正极材料可以使用传统的湿法浸出。如层状正极材料P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2可以使用无机酸和还原剂浸出,方法可以参考锂电正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的浸出工艺。钠电与锂元素不同,钠没有必要回收和再利用,只对有经济价值的铝、镍和锰钠电等金属进行回收,而锂电则需要回收锂、铜、铝、钴、镍和锰等。此外,钠电正极材料中含有来自集流体、外壳和极耳的铝杂质,由于其两性特性而很容易去除。钠电回收的一个阻碍是Na2V2(PO43在室温下可以很容易地溶解在1M HCl溶液中,但钒(V)不易从溶液中简单沉淀析出。回收钒需要开发新的策略或工艺。

钠电和锂电电极材料再生的显著差异在于钠电材料的界面杂质更容易去除。通过用水洗涤电极,可以很容易地从废旧钠电的正负极材料上去除固体电解质,从而去除水溶性钠盐(如酯基碳酸钠[ROCO3Na]、醇钠[RONa]、碳酸钠[Na2CO3]和氟化钠[NaF]等)。然而,从锂电材料中去除Li2CO3和LiF等界面杂质是具有挑战性的。如之前报告所指出的,LiF的溶解度极低,不能进行热蒸发。一旦在表面形成一定厚度,会显著降低材料的离子导电性。因此,从废旧钠电材料的再生只需对其进行结构修复,无需关注表面杂质。

7.电池回收的挑战

钠电电池回收面临的挑战与锂电相当,区别在于钠电独特的化学特性、较低的经济价值以及缺乏最大限度提高回收经济收益的过程。目前阻碍电池回收产业可持续发展的核心问题主要有以下四个。

7.1高能耗和废物产生多

电池的放电和回收策略强烈影响回收过程中材料和能源的消耗以及废物的产生。回收的电池电量通常在70%左右,易发生危险,因为其中含有高反应活性的材料。废旧电池中的钠化碳材料可以很容易地与氧气和水发生放热反应。拆卸或粉碎过程中会使正负极与空气接触,发生火灾和爆炸风险。因此必须考虑废旧电池是否需要放电,以及哪种放电方法最好。传统的盐水放电策略会产生大量废水,并受到限制性法规的约束,因此需要开发可大规模实施且对环境影响较小的放电方法。

由于技术限制,当前的工业回收过程以价值为导向,主要设计可最大限度提取高价值元素的工艺。这些密集的过程需要消耗大量能源和材料(图5a),并产生废水和排放温室气体(图5b和c)。废旧电池中的低价值材料通常被燃烧并作为气体排放,质量差的交叉污染材料通常被作为废渣填埋,带来严重的环境问题(图5d)。

7.2回收利用效率低

废旧电池的回收和再利用效率低主要是由于其组成材料和结构的复杂性。废旧电池通常包含多达十种不同的材料,并可能含有杂质。分离各种材料并以相对纯净的形式提取元素以供再利用仍然具有挑战性。经过深度循环的电池其内部结构和材料可能会相互融合,进一步增加了材料分离的复杂性。除了潜在的元素提取外,较差的材料分离度将不益于再利用材料的回收。

PVDF粘结剂难溶于水和有机溶剂,这种较差的溶解度明显使集流体与电极的分离变得复杂,从而影响了基于粉末和精准分离回收策略的效率。极性非质子溶剂可以溶解PVDF,但又不能将其从回收的活性材料中完全去除。聚合物交叉污染降低了回收活性材料的质量和性能。

7.3电解液不易回收,而且往往易挥发。电池的工作要求意味着正极、隔膜和负极必须紧密结合,在制造过程中通过卷绕或叠片工艺实现。电解液均匀的分布在整个电池中,从而也加大了电解液从电极和隔膜中的提取难度。一旦废旧电池被粉碎或拆解,低沸点溶剂(如DMC和EMC)挥发,但高沸点溶剂(EC)和不稳定的溶质仍然存在。它们必须用大量溶剂(如水或DMC)去除,回收的电解液难以纯化至99.99%的纯度。

7.4材料再生能力差

杂质和复杂的失效机制阻碍了回收电极材料的再生。首先,回收正极或负极材料存在实际困难。电池经过粉碎后,正极材料中混合的塑料、金属及其氧化物会严重影响回收材料的质量,并增加后续处理的复杂性。此外,通过当前工业回收工艺回收的负极材料无法进行再生处理,缺乏实际应用,而回收的正极材料也主要用于提取高价值的元素。回收的正负极材料粉末可能不适合直接再生和在新电池中重新使用,原因包括其物理参数的变化(尺寸和密度)、结构损伤、界面相变和活性钠损失等。这些因素的相对重要性可能取决于回收方法的选择。目前,正极材料主要通过补充活性元素并对其进行热处理进行结构修复。以这种方式修复的材料在实际应用中尚未进行详细评估。

7.5经济收益差

钠电回收的最大挑战是其较低的经济收益,主要是由于废旧钠电材料的固定价值较低(图5e)。锂电的回收可以带来收益,是因为它们含有有价值的材料和元素:如果碳酸锂成本超过每吨2.2万美元,那么锂电LiFePO4电池的回收将是有利可图的。钠电中缺乏昂贵的金属降低了回收的盈利能力,从而降低了再循环的可行性,即使材料被完全回收。通过材料再生回收钠电的理论收入为每千克电池7.52美元,但随着钠电正极材料因交叉污染而贬值,或者没有来自电解液和负极材料的回收价值,该收入将大幅降低。在成熟的工业电池回收路线中,钠电材料再生每千克电池的收益只有2.36美元,每千克电池的经济投入为2.10美元,因此每千克电池仅获得0.26美元的利润。而元素提取的理论和实际收益分别为每千克2.68美元和1.03美元(附录表2)。这些收益与火法+湿法和直接法+湿法的成本相当甚至更低(每个电池分别为3.40美元和2.40美元)。总的来说,虽然钠电相对于锂电而言成分显贵简单,但钠电较低的盈利能力会阻碍其后续广泛的商业化回收。

8.促进钠电回收的框架

考虑到上述提到的经济因素,在钠电商业化的早期阶段应该实施一个促进回收的有利框架。这并不意味着增加钠电中有价金属元素的含量,而是应该优化电池的运行和使用寿命,同时简化回收过程。总体目标是在钠电行业中创建一个循环经济。

在钠电商业化的初期阶段,实施以下措施将有助于建立一个闭环系统:确保从消费者到回收工厂的废旧电池收集路线标准化;在材料选择和电池设计中优先考虑回收,以促进回收的便利性;开发能够从废旧钠电中分离出高纯度材料的电池回收策略

8.1人类行为的影响

8.2由于可回收材料在垃圾中被不当处理,回收率往往会因人类行为和便利性而下降。支持强大的钠电回收的产业框架必须围绕绿色化学原则的教育展开。教育、货币激励措施和法律法规制定可以帮助改变人们的心理和回收行为,确保最大程度地从消费者那里收集到废旧电池。诸如核心费用、回收费用和罚款等刺激措施可以鼓励人们正确处理电池废弃物。这些政策可以通过使用数字护照或包含钠电身份识别系统来实施,使废旧钠电得以收集和正确处理。钠电。钠电钠电建议将数字护照纳入钠电回收策略,促进特定类型电池回收准则的制定。

8.3设计和材料

绿色化学的原则应该指导电池的设计、材料的选择和废物的预防。使用可降解材料通常被理论化,可以增强可持续性,但很少在商业实践中应用。在适当的情况下,使用稳定和良性的电解质、粘结剂和隔膜将有助于电池更安全的运行,并提高电池的可持续性。理想的电池电解质和溶剂应该是不易燃、无腐蚀性、易提取和纯化的。减少腐蚀性和挥发性溶剂将有益于粉碎和精准分离回收方法,同时减少在处理过程中电解液的分解和挥发对环境的影响。电池中的聚合物,包括粘结剂和隔膜,通常难以分解或回收,导致材料在分离过程中出现问题。考虑到钠电的独特性质,使用可降解材料替代这些聚合物可能是有益的。与当前锂电不同,未来的废旧钠电可以完全由对环境无害的可降解材料组成,其中包括自然存在的金属、绿色电解质和非腐蚀的钠盐。这将使将来的废旧钠电或组成材料能够被视为一次性废物,从而无需进行回收处理。可溶性粘结剂和简化的材料类型将有利于材料的分离。电极材料需要可溶性粘结剂,最好能在绿色溶剂中对集流体、活性材料、导电剂和粘结剂进行分离净化。在分离过程中,活性材料应避免被集流体污染,以防止在再生前进行额外的纯化。未来的正极材料应表现出高的化学和结构稳定性,且组成成分简单,使分离工作流程易于进行和推广。从铅是唯一金属来源的铅酸电池中获得灵感,第一代钠电应简化材料种类。例如,可以使用单一导电剂,其外壳、极耳和集流体可以完全由铝金属制成。另外,使用可溶性固体聚合物电解质代替多组分电解质,同时进行钠金属负极或无负极电池设计。钠电电池设计应以减少工作量、能源消耗和交叉污染为目标。通过电池标准化制定以及减少电池材料和组件的多样性,可以简化回收流程,防止交叉污染,从而促进现有工艺的优化和改进。商业电池的外壳通常很难打开,同时卷绕结构较为脆弱,容易交叉污染,增加了回收和再生过程的复杂性。简化的电池设计可以改善装配和拆卸的便利性,提高外壳的可操作性,为电池的回收工作提供保障。

8.3优化回收方法

降低电池回收中的气体排放、能源和材料消耗,同时增加可持续能源的使用,是钠电回收的另一个方面。上述的电池设计改变有望使废旧电池能够被精确地分离成单个材料,最大程度降低交叉污染,且杂质能够通过热处理或物理方法轻松去除。精准分离是理想的回收方法,开发机械半自动化设备可以提高这种方法的使用效率。先进的回收工艺与新颖的电池结构设计相结合,可能会产生实现材料精准分离的破碎方法。

发展绿色化学的同时,探索用于回收材料的先进处理策略也是重中之重。需要特别关注再生电极材料的性能,包括其在充放电过程中的离子传输行为、相变行为以及材料的一致性,这些因素决定了其在实际应用的可行性。经过多次的重复使用和再生之后,最终需要对元素进行提取。优化浸出过程,开发有效去除活性材料中杂质的方法,对于高质量的元素提取至关重要,加速材料的再合成利用

通过上述建议构成了的框架,可以使废旧钠电易回收、易修复、易降解,从而再制造和再利用。钠电的化学特性使得活性电极材料和导电剂可以直接在电池制造中进行再利用。金属组件,包括外壳、极耳和集流体,可以指定为再制造材料。粘结剂可以在适当的速率下逐渐降解。而隔膜和电解质可重新用于其他产业。这个框架可以将所有电池材料的回收效率提高到95%以上,实现每千克电池8.87美元的最大经济收益,同时满足当前和未来的环境要求。

9.展望

钠电独特的化学特性和材料为钠电回收带来了特定的挑战。钠电回收的成功将在很大程度上依赖于减少使用粘结剂和电解质的问题,或者寻找与这些材料性能相当且易提取的替代材料。开发有效策略来克服废旧钠电电池固有价值较低的经济障碍。通过推广主流设计和简化回收流程,提高相关材料最终再生和再利用的效率。

为此,制造易回收的钠电在商业化的早期阶段至关重要。仅关注性能而不注重设计和可回收性的商业化电池只会阻碍钠电其在电池市场的广泛应用。如文章所述,产业界和学术界应从根本出发,寻找阻碍当前回收的更环保的替代材料。应逐步优化钠电的设计、结构和关键材料钠电以锂电回收技术为基础,创建一个可循环的钠电产业。

钠电正处于商业化的初级阶段,未来十年或二十年的研究可能会使目前所采用的材料有所改变。商业化进程的不确定性,使得现在几乎不可能创建详细而可信的回收方案。因此,开发新材料和可回收电池尤为重要,包括负极材料(钠金属负极)、正极材料、电解质(高浓度和固体电解质)以及具有新结构(固态电池)的电池。

未来的电池回收研究必须从多方面推进,以促进回收和开发效益高的精准分离方法。回收策略必须能够回收和重复使用价值较低的材料,如电解质、导电剂和隔膜等。为了最大限度地提高其经济可行性,钠电回收应促进梯级利用和材料再生。

最后,制定促进钠电产业健康发展的回收标准至关重要,重点关注废旧钠电的处理和设计本质上易于回收的电池钠电。最终目标是创建能够高效利用且有利可图的回收电池。

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