新材料使回收各种电池变得简单且经济

锂离子电池彻底改变了电子产品，并加速了向清洁能源的转变。这些电池已成为21世纪生活不可或缺的一部分，但我们面临着在2050年之前耗尽的风险。每个电池中使用的主要元素——锂、镍和钴金属以及石墨——越来越稀缺和昂贵，对一些剩余的国际供应链几乎没有环境或公平劳工监督。

迫切需要开始重新使用我们已经挖出的材料，并使电池生产过程对所有人都更安全、更公平。来自劳伦斯伯克利国家实验室(BerkeleyLab)的一组科学家发明了一种屡获殊荣的新型电池材料，可以同时满足这两个条件。他们的产品称为Quick-ReleaseBinder，能够以简单且经济的方式将锂离子电池中的有价值材料与其他成分分离，并回收它们以在新电池中重复使用。

“我们已经到了要求回收电池的地步，”项目负责人、伯克利实验室能源技术领域的资深科学家、伯克利实验室储能中心成员刘高说。“如果我们不停止燃烧它们并将它们扔进垃圾桶，我们将在未来十年耗尽资源。否则就不可能跟上市场对电池的需求量。钴不够用，镍不够——我们必须回收。”

用Quick-ReleaseBinder制成的电池只需打开，放入室温碱性水中，轻轻摇动即可。分离的元素很容易从水中滤出并风干。

这与目前的锂离子回收形成鲜明对比，后者涉及首先切碎和研磨电池，然后燃烧它们以将金属与其他成分分离。回收公司的目标是使他们的过程尽可能高效，但由于大多数电池过去和现在的设计，回收这些元素仍然是能源密集型的、昂贵的，并且会释放出必须谨慎管理的有毒化学物质。

Liu和他在伯克利实验室储能中心的团队在开发快速释放粘合剂时正在研究锂硫电池——这是正在开发的传统锂离子的可能替代品之一。锂硫电池是电池研发界的热门概念，因为它们可以在制造时不使用稀有钴，并且具有比锂离子更高的理论能量密度;但在电池商业化之前，必须解决许多功能性问题。快速释放粘合剂将使Li-S电池易于回收，并且似乎可以解决主要的性能问题之一。这一发现本身就很令人兴奋，但刘实验室的博士后研究员陈放意识到，他们的新型粘合剂材料具有更大的潜力：

粘合剂是大多数电池类型中使用的胶状物质，包括锂离子电池和我们在家居用品中使用的碱性电池。电池有两个电极——带正电的阴极和带负电的阳极——由产生电流的导电化学物质制成，以及将活性成分固定在适当位置以实现一致和持久性能的结构材料。顾名思义，粘合剂将这些成分结合在一起，有助于维持电池的结构。

新型快速释放粘合剂由两种市售聚合物聚丙烯酸(PAA)和聚乙烯亚胺(PEI)制成，它们通过PEI中带正电的氮原子和PAA中带负电的氧原子之间的键连接在一起。当将固体粘合剂材料置于含有氢氧化钠(Na+OH–)的碱性水中时，钠离子会突然进入粘合部位，从而将两种聚合物分开。分离的聚合物溶解到液体中，释放出嵌入其中的任何电极组件。

该粘合剂可用于制造阳极和阴极，价格约为两种最常用的商业粘合剂的十分之一。“[在我们最近的研究中]，我们证明了整个过程在实验室规模上非常容易，我们认为没有理由在工业规模上不能同样有效，”Fang说。他补充说，该团队认为该材料可用于各种尺寸的电池，从手机中的小型电池到用于在国家电网上存储备用能源的超大型电池。

9月下旬，该技术被R&D100Awards评为2022年全球开发的100项革命性技术之一。

该团队目前正与电池回收开发商、OnToTechnologies创始人史蒂夫·斯洛普(SteveSloop)合作，完成产品测试并将其推向市场。过去的实验表明，粘合剂在高电压和低压下都非常稳定，他们现在计划用粘合剂构建原型锂离子电池，以全面分析其性能并展示其功能。

如果这些测试进展顺利，科学家们预计将顺利过渡到商业制造。Chen说：“调整当前的制造工艺以使用粘合剂没有根本性障碍，因为它实际上会简化制造，原因与它简化回收的原因相同——你可以用水代替苛刻的溶剂。”为了制造新电池，制造商使用化学溶剂处理粘合剂以形成包含所有电极成分的浆料，然后将其以所需的形状和厚度沉积在电极片上。“这意味着当前的制造商需要设置额外的仪器或设施，以保护工人免受有毒溶剂蒸汽的伤害，并管理溶剂的安全处置。”快速释放活页夹将消除这些步骤。

重新设计电池生命周期

根据Sloop的说法，Quick-ReleaseBinder代表了电池设计的范式转变。刘的团队没有设计先进的电池并试图在事后创建回收过程，而是第一个“为回收设计”。

Sloop说：“粘合剂有一个很大的特点，它可以通过低成本、对环境无害的工艺‘解压缩’，这通过提高先进电池系统的经济和环境可持续性使我们所有人受益。”“电池不含全氟烷基和多氟烷基物质(PFAS)，这也是一项伟大的成就——PFAS是用于制造不粘涂层和许多其他产品的化合物家族，但这对未来非常重要。客户不希望它们出现，因为与健康问题的新联系，我认为监管机构很快就会同意我们不能继续使用这些化学品。”

展望未来，Liu和Sloop正在与电池公司和粘合剂制造商会面，讨论商业化。他们希望获得Quick-Release技术的许可，以便它可以用于所有主要的锂离子品牌。有一天，该团队的发明可能会出现在我们屋顶下和引擎盖下的所有电池中——让剩余的稀土金属留在地下。

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