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如何制造更好的电池阴极

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-12-21

 

伍斯特理工学院(Worcester Polytechnic Institute)研究人员Yan Wang发现回收的阴极材料性能优于那些由原始材料制成的阴极材料性能。

在第26届联合国气候变化大会上(COP26),戴姆勒,福特和大众以及中国比亚迪承诺到2035年只生产电动汽车。技术进步使这成为一个现实的前景,但获得如此多电动汽车所需原材料的能力仍然令人怀疑。

正如电池回收Redwood Materials公司制定的计划,通过回收废旧电池并将这些材料作为循环经济的一部分进行再利用,或许可以缓解供应的局势。但是当制作新电池的时候,回收的材料可以达到与原材料一样的效果吗?

伍斯特理工学院Yan Wang教授在他的论文“回收的阴极材料使锂离子电池具有优异的性能”中提出上述问题。论文题目透露出Yan Wang教授的发现,事实上,回收的材料在制作电池阴极时更胜于原始材料阴极。

Yan Wang教授说:“随着锂离子电池的需求日渐增加,从使用过的电池中回收材料是非常重要的,特别是电动汽车上的电池。电池制造商想了解回收的阴极材料是否并不亚于新阴极材料。这项研究表明回收材料在电化学方面与一级供应商提供的原始、最先进的阴极材料相媲美或超越。”

Wang与万向公司(A123 Systems)、Battery Resourcers、阿公国家实验室(Argonne National Laboratory)、莱斯大学(Rice University)、布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)和美国先进电池联盟(USABC)共同合作完成该论文。

我们打电话与Wang教授聊天中,了解他的发现。

 

 

伍斯特理工学院研究员Yan Wang在他的实验室。

为什么电池的回收材料如此重要?

Yan Wang首先,回收利用废旧电池的有毒成分可以减少对环境的污染。第二,由于道德问题和开采难度,原材料非常有限。随着电动汽车的快速发展,需求将很快超过供应速度。因此,为了保护环境、减少锂离子电池成本、缓解供应链压力,回收电池材料是非常重要的一步。

使用回收材料的潜在成本效益是什么?

Yan Wang: 根据一些预测,节省的成本可以达到由原材料制成的阴极材料成本的43%,使锂离子电池成本下降。

回收材料过程是否遇到困难?您是如何克服这些障碍的?

Yan Wang: 主要的困难是阴极材料的分类和再生。如我们所知,市场中的锂离子电池种类有很多。基于一些机密性,制造商不会在电池上贴标签注明,由于废旧电池的材料不同,可能会引入杂质。

我们的团队使用粉碎过程来避免分类步骤。然后,我们通过调整酸碱度来去除杂质。另一个困难是因为回收的溶液比原始材料的溶液更复杂。

经过一系列的处理以后,回收溶液比未经处理溶液含有更多的离子。因此,对于怎么利用回收生产好的阴极材料是一个巨大的挑战。我们做了很多试验来获得回收溶液的最佳参数。

对于大量工业用途来说,这个过程合适吗?

Yan Wang:自从我们开发了回收流程,可扩展性也在我们的思考范围内。事实上,伍斯特理工学院旗下的Battery Resources公司正在商业化。

使用回收的阴极材料制成的电池性能v.s使用未经处理材料的材料制成的电池性能

Yan Wang: 在报告中发现,回收的镍锰钴氧化物(NMC111)具有回收材料的最佳循环寿命,能够在80%和70%的容量保持率下进行4200次循环和11600次循环,比最先进的商用NMC111分别高出超出33%和53%。同时,在5C放电倍率下,NMC111比市面上其他的高出88.6%。

造成差异的原因是什么?优化这一机制可以获得什么更大收益的机会呢?

Yan Wang: 回收材料具有更大表面积、累积孔体积和更大内部空隙的优化微观结构,这提供了更高的锂化学扩散系数并减轻了循环过程中的应变,这导致更少的相变并有利于优异的性能。这种优化应该得益于复杂的循环溶液,它含有更多的其他离子。

中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译

2021.12.14

 
关于我们:中国化学与物理电源行业协会(China Industrial Association of Power Sources,缩写:CIAPS) 是由电池行业企(事)业单位自愿组成的全国性、行业性、非营利性的社会组织。协会成立于1989年12月,现有530多家会员单位,下设碱性蓄电池与新型化学电源分会、酸性蓄电池分会、锂电池分会、太阳能光伏分会、干电池工作委员会、电源配件分会、移动电源分会、储能应用分会、动力电池应用分会和电池隔膜分会等十个分支机构。
本会专业范围包括:铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢镍蓄电池、锌锰碱锰电池、锂一次电池、锂离子电池、太阳电池、燃料电池、锌银电池、热电池、超级电容器、温差发电器及其他各种新型电池、电池系统解决方案,以及各类电池用原材料、零配件、生产设备、测试仪器和电池管理系统等。

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