锂离子电池是几乎所有电动汽车、笔记本电脑和智能手机的核心，对于在气候紧急情况下储存可再生能源至关重要。但是，世界上所有当前的采矿作业都无法提取足够的锂和其他关键矿物来满足对这些电池飞涨的需求。建立新矿山是一项昂贵且耗时数年的工作。采矿还会造成一系列环境问题——例如耗尽当地水资源和用径流碎片污染附近区域——这已导致对新矿山的抗议。
所有这些都意味着，回收现有电池的能力对于可持续地转变全球能源系统至关重要。但是，锂离子电池的回收利用只是最近才取得商业进展。电池制造商对回收产品的质量可能低于用新开采的矿物制造的产品感到犹豫，这可能会导致电池寿命缩短或电池内部损坏。后果可能很严重，尤其是在电动汽车等应用中。
但是，发表在《焦耳》杂志上的新研究发现了一种更优雅的回收方法，该方法翻新了正极——正极是锂离子电池中最昂贵的组件，也是提供适当电压的关键，它是经过精心制作的晶体。研究人员发现，他们用新的正极回收技术制造的电池性能与用全新正极制造的电池一样好。事实上，使用回收正极的电池寿命更长，充电速度也更快。美国陆军研究实验室的电化学家徐康（音译）表示，该团队的方法和成功的演示“非常独特，非常令人印象深刻”，他没有参与这项研究。
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不再是笑话
伍斯特理工学院的材料科学教授、新研究的合著者王燕（音译）在 11 年前开始研究电池回收。他说，当时“有人和我开玩笑说，‘没有足够的电池供你回收。’”这个笑话已经不好笑了。美国能源部估计，未来十年电池市场可能增长 10 倍。美国能源部车辆技术办公室主任戴夫·豪厄尔表示，为了缓解市场日益增长的阵痛，“锂离子电池的回收利用——将这种材料重新投入供应链——至关重要”。美国能源部资助了这项新研究，这是其大规模努力的一部分，旨在刺激美国的大规模电池回收创新。
当锂离子电池供电时，锂离子簇从一个晶体“笼子”（负极）移动到另一个晶体“笼子”（正极）。目前用于回收这些电池的最常见方法包括拆卸和粉碎整个电池，然后将其全部熔化或溶解在酸中。其结果是一种黑色物质——其质地从粉末到粘稠物不等——可以从中回收化学元素或简单化合物。然后，这些回收的产品可以像新开采的元素一样，经过相同的商业制造过程来制造正极。
用 X 射线显微镜拍摄的回收正极颗粒 (A) 和用新材料制成的颗粒 (B) 的横截面。比例尺在 (A) 中为 10 微米，在 (B) 中为 5 微米。图片来源：“回收正极材料实现了锂离子电池的卓越性能”，作者：Xiaotu Ma 等人，发表于《焦耳》杂志，第 5 卷，第 11 期；2021 年 11 月 17 日 DOI：https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.09.005
王和他的同事使用了非常相似的工艺——但他们的技术并没有将电池完全分解为其组成化学元素，而是保留了旧正极的一些关键成分。在粉碎电池后，他们物理去除不太昂贵的部件（如电子电路和钢制电池外壳）并单独回收。剩下的大部分是正极材料；他们将其溶解在酸中，然后去除杂质。接下来，他们仔细添加少量构成正极的新鲜元素，例如镍和钴，以确保成分比例恰到好处——这是与常见回收方法的另一个区别。经过更多步骤后，最终得到的是一种有效刷新的正极粉末，它由微小的晶体颗粒组成，这些晶体颗粒可以粘在金属条上并放入“新”电池中。
由于正极是由精确混合的贵金属矿物制成的，以实现电池的特定电压，因此其结构或成分的细微变化都可能损害其性能。因此，正极粉末的大部分价值“在于你最初如何设计粉末颗粒”，英格兰伯明翰大学的能源材料教授艾玛·肯德里克（Emma Kendrick）说，她没有参与这项新研究。如果像当前的回收方法那样，简单地将整个电池熔化或溶解，这种价值就会丧失。
更多孔隙，更快充电
王和他的同事将回收正极粉末中的颗粒与商业制造的正极粉末（主要由新开采的矿物制成）中的颗粒进行了比较。他们发现，回收的粉末颗粒更具孔隙性，每个颗粒的中心都有特别大的空隙。这些特性为正极晶体提供了在锂离子挤入时略微膨胀的空间，这种摆动空间可防止晶体像从头开始构建的正极那样容易破裂。这种破裂是电池随时间推移退化的主要原因。
更多孔隙也意味着更多的暴露表面积，这是充电电池所需的化学反应可能发生的地方——这就是为什么王的回收电池比商业制造的同类产品充电速度更快的原因。王说，未来的目标可能是将所有正极设计成具有这种优越的结构，而不仅仅是那些用回收材料制成的正极。
阿贡国家实验室的交通分析师兼 ReCell 中心首席科学家琳达·盖恩斯（Linda Gaines）表示，最新的研究结果表明，“他们可以制造的正极与我们一直在进口的商业材料一样好，甚至更好”，该组织研究和促进电池回收。（盖恩斯没有参与这项新研究。）此类进口主要来自中国，中国在电池回收领域处于世界领先地位。但是这种情况意味着材料必须在全球范围内转移才能进行回收，这增加了回收电池的碳足迹，并降低了其作为更可持续途径的吸引力。王的团队开发的方法减少了大量的国际贸易和运输需求，为其他国家加强国内电池回收开辟了潜在途径。该工艺目前正在由 Ascend Elements（前身为 Battery Resourcers，王共同创立的一家回收公司）扩大规模。