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2021-05-18 09:45:14本站

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锂离子电池回收的福音,德州大学发明无金属电池

今天,随着环保、节能减排政策的推进,电动汽车行业正高歌猛进,但我们却遇到一个棘手的难题,它与我们如何储存可再生能源的方式有关。

目前,电动汽车所需的电力被存储在电池里,它们均属于化学电池,常见的有铅酸、钛酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰、镍钴铝五种动力电池。其中,能量密度更高、性能更稳定的磷酸铁锂和三元锂电池,是目前电池市场流通最广的两种电池,也是目前电动车应用最广泛的主流动力源。

虽然金属锂电池目前工作得还不错,但本身却存在可持续性的问题。

  首先,地壳中的每一种元素都是有限的,有些元素会更加稀有。而电动车行业的高速发展,将加大这种稀缺的情况。

  按照采矿业的报告,2015年锂的需求量约为34.6万吨。其中约60%用于非电池使用,消费电子产品和传统电池市场占总需求的四分之一,电动汽车市场占14%,固定能源储能市场仅占1%。而去年全球锂需求跃升至49万吨,其中60%用于电池相关产品。

国际能源署日前表示,到2030年,全球在行驶的电动乘用车、公交车、货车和重型卡车的数量预计将达到1.45亿辆。如果各国政府加速实现国际能源和气候目标,2030年全球电动汽车数量可能会进一步增加至2.3亿辆。全球电动汽车的发展可能会对锂的供应造成巨大压力。那我们可用的锂又有多少呢?

LUT-奥格斯堡大学的研究人员研究了各种模型,以确定地球上剩余的锂储量,估计在3000 - 9500万吨(Mt)之间。而美国地质调查局(United States Geological Survey)指出的全球锂总储源约为1400万吨。

澳大利亚的锂矿

LUT-Augsburg研究小组发现,在所有情况下,未来十年的供求关系都将保持平衡,直到世纪中叶供应将甚至超过需求,但从那时起,供应短缺将开始。随之而来的,是巨大的电池退役量。2019年中国动力电池出货量达到71GWh2015年到2019年复合增长率达43.2%2019年全国锂电池理论退役量达到35.5万吨。

  电池回收是解决之道

  对应有限的储量和巨大的电池退役量,以及需求的快速增长,锂离子电池回收就成了最可见的解决之道。为此,许多国家都在抓紧时间研究,并取得了一定成果。

  比如,芬兰清洁能源公司Fortum的一项新解决方案使80%以上的电动汽车(EV)电池可回收利用,使稀有金属重新进入循环,并通过减少开采钴、镍和其他稀有材料来解决可持续性缺口。

Fortum采用低二氧化碳湿法冶金回收工艺,回收率达到80%。首先,这些电池是安全的,可以进行机械处理,塑料、铝和铜被分离出来,直接用于它们自己的回收过程。

各种废弃电池需要先筛选

由于电池中的有害物质,科学家正在用机器人代替人工进行回收工作

  湿法冶金回收过程允许从电池中回收钴、锂、锰和镍,并将其交付电池制造商用于生产新电池。这项技术是由芬兰成长公司Crisolteq开发的,该公司在芬兰的Harjavalta拥有一个湿法冶金回收设施,已经能够在工业规模上运行。

电池中各种物质的含量

回收能将贵金属尽可能地再利用,减少资源消耗

  另辟蹊径的无金属电池

  除了湿法冶金回收外,也有其他科学家另辟蹊径,他们正在研究更环保的锂离子电池替代化学物。这许多的研究者中,德克萨斯农工大学的一个团队刚刚提出了一个有趣的候选方案,它展示了一种可以放在酸性溶液中按需降解的无金属电池。他们的思路来源如下:

  锂离子电池的生产却依赖于难以获取的重金属。以钴为例,一些非洲钴矿存在严重的使用童工问题,同时钴矿开采还造成环境退化和水源污染,这些都引发了令人难以回避的道德问题。

一些地方还在用人工开采,污染和浪费问题严重

  而且锂离子电池最大的问题在于,当它们寿命结束时,很难分离和回收这些材料。这些问题促使卢肯豪斯等科技人员研究无金属电池架构。比如,IBM开发的咸水电池原型就是一个著名成果。

  与IBM的咸水电池不同,德克萨斯农工大学的科学家们转而使用电化学活性氨基酸链,又称为氧化还原活性多肽,来构建电池的两个电极。当设备充放电时,两个电极可以来回传递能量。在测试中,有机电池达到了几个重要的指标:

论文发表在《自然》杂志上

  首先,这些电极在操作过程中发挥着活性材料的作用,而且始终保持稳定。其次,这些成分可以通过酸性条件被降解,结果只留下氨基酸和其他良性降解产物,它们能被重复使用或留在环境中无害地溶解。

电池阳极纳米颗粒周围稳定的固体-电解质-界面层的微观模拟

脱离了对锂的依赖,转而使用这些多肽,也是蛋白质的主要成分,能帮助我们不再需要开采贵金属,还让我们有机会为可穿戴或可植入电子设备提供电力,同时又很容易在电力耗尽后进行回收,这项研究的领头人之一凯伦.邬丽博士说。它们(多肽电池)是可降解的,可回收的,无毒的。它们是更安全的。

德州团队刚公布了他们的无金属电池研究成果

  虽然这项研究还处于早期阶段,但科学家们认为这是可持续电池发展有希望的第一步,他们现在正借助机器学习(Machine Learning)进一步改进设计。

 

机器学习是一门多领域交叉学科,涉及概率论、统计学、逼近论、凸分析、算法复杂度理论等多门学科。专门研究计算机怎样模拟或实现人类的学习行为,以获取新的知识或技能,重新组织已有的知识结构使之不断改善自身的性能。它是人工智能核心,是使计算机具有智能的根本途径。

  电力驱动行业能否持续发展,将取决于人类如何解决储能的问题。至少目前,我们还需要电池,而科学家们共同的智慧将让电动车走得更远,同时也保护地球家园不会被我们所享受的便利所毁掉。

 

文章来源:方舟科技时讯

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