鉅大LARGE | 點擊量：362次 | 2023年01月12日
鋰電池：生前贏得身后名
一、鋰電池應用方興未艾
鋰電池是指鋰電池，由鋰離子在正負極材料之間嵌入-脫出實現充放電工作。其應用場景十分廣泛，小到無線藍牙耳機、智能手表手環、手機、筆記本電腦，大到電動汽車、太陽能等新能源發電系統的儲能設備。
瑞典皇家科學院將2019年諾貝爾化學獎授予約翰B古迪納夫（JohnB.Goodenough）、M斯坦利威廷漢（M.StanleyWhittingham）、吉野彰（AkiraYoshino），以表彰他們在鋰電池發展方面的貢獻。瑞典皇家科學院評價道，他們的研究為建立無線、無化石燃料的社會創造了合適的條件，為人類社會帶來了福祉。
由于正極材料種類的不同，鋰電池一般分為鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。根據國家統計局的數據，我國2011年至2018年各種鋰電池累計完成量達到約580億只。由于充放電次數的新增，鋰電池會容量衰減終將報廢。據估測，2020年，我國廢棄鋰電池將達到250億只，重量約為50萬噸。在我國，磷酸鐵鋰電池占據市場份額較大，2015年市場份額為69%。據悉，TSLA（TESLA）近期或將自主研發無鈷新電池，安全性高的磷酸鐵鋰電池應該會成為首選。
圖3四種鋰電池的比較（來源：中科院城市環境研究所付明來組）
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圖4我國電動汽車產銷量和鋰電池產量（來源：中科院城市環境研究所付明來組）
2019年我國多地推行生活垃圾分類，不同省市對干電池等普通電池的分類稍有不同，但基本都把廢舊鋰電池分類為有害垃圾。以下列舉了部分城市對鋰電池的分類要求：
上海：根據《上海市生活垃圾全程分類指導手冊》要求，生活中用完的鈕扣電池、可充電電池、鋰電池等都要作為有害垃圾單獨投放。
北京：現在生產的1號、5號、7號等干電池是低汞或者無汞電池，不屬于有害垃圾；但紐扣電池、電子產品用的鋰電池、電動汽車電瓶等蓄電池和鎳鎘充電電池仍需作為有害垃圾進行回收。
廣州：廢充電電池、廢扣式電池、廢鎳鎘電池、氧化汞電池屬于有害垃圾。
深圳：充電式電池、干電池、紐扣電池均屬于有害垃圾，另外破損電池應用透明袋封裝后投入到有害垃圾廢電池收集容器中。
天津：廢電池（鎘鎳電池、氧化汞電池、蓄電池等）屬于有害垃圾。
二、傳統回收方法有局限
大量的廢舊鋰電池存在環境污染的潛在風險，但也可以緩解戰略金屬如鈷、鋰等的快速消耗。鋰電池中大量的有價金屬鋰、鎳、鈷等的回收引起了廣泛關注，已發展了多種技術來提高金屬回收率，降低固體廢物的管理風險。
傳統的回收技術分為三類：火法冶金、濕法冶金以及生物法冶金。火法冶金技術一般是通過高溫處理廢舊電池或者電池正極片，正極中的粘結劑、石墨化碳等高溫下能夠去除，后續要聯合其他方法對殘留物進行處理，回收其中的金屬。但由于火法冶金高能耗、尾氣粉塵多，濕法冶金回收鋰電池金屬更具優勢。濕法冶金是利用酸、堿溶液或其他溶液來溶解廢舊鋰電池中的金屬，再通過沉淀、萃取等方法將其分離和回收。濕法冶金技術的廢酸堿副產物可能會出現環境污染風險。生物法利用微生物和廢棄物表面之間的相互用途溶解金屬，條件溫和，環境友好，但是菌株篩選馴化、長期培養也限制了生物法技術在處理廢舊鋰電池領域的推廣。
三、以廢治廢助力鋰電池回收再利用
針對我國磷酸鐵鋰電池市場份額較大的特點，中科院城市環境研究所環境功能材料研究組開發了水熱處理磷酸鐵鋰電池正極片制備羥基磷酸鐵的方法來回收處理廢舊磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池充分放電后拆解可得含有磷酸鐵鋰材料的正極片，經過180C水熱處理5小時，正極材料和鋁箔可以有效地剝離分開。其中重要低值成分轉化成羥基磷酸鐵（FPOH），該功能材料可用于吸附水體中的重金屬鉛離子和高效催化雙氧水降解有機污染物，如染料亞甲基藍。
研究發現：FPOH對鉛離子的最大吸附量為43.203mg/g，最終生成了穩定的沉淀產物羥基磷酸鉛。通過淬滅實驗推測：FPOH催化雙氧水降解有機染料的機理為芬頓反應生成的羥基自由基參和了降解反應。該研究為我國鋰電池占比高的磷酸鐵鋰電池廢棄物的回收利用供應了一種以廢治廢的方法。
圖6廢舊磷酸鐵鋰電池制備羥基磷酸鐵用于吸附重金屬鉛和芬頓催化降解亞甲基藍（來源：EnvironmentalTechnology&Innovation2019,16,100504）
