可持续电池的碳中和策略--从结构、回收、性能到应用

研 究 背 景

能源危机、温室效应和空气污染引发了对新储能技术的研究，导致电化学储能电池的持续发展和商业化。随着锂二次电池逐渐进入报废期，实现其高效绿色回收不仅是生态文明发展的战略要求，也是资源安全供应的现实保障。因此该领域的研究近年来得到越来越多的关注。

由于废锂离子电池中存在有价金属和电解质，一方面，回收可以防止环境污染。另一方面，锂离子电池中的有价金属含量远远超过许多天然矿物的含量，因此，回收可以帮助大大减少资源供应的压力，同时也有积极的经济效应。各国也在政策层面上积极支持锂离子电池回收产业，以刺激锂产业积极回收和再利用废旧电池，并在国家层面上支持经济战略。

文 章 简 介

基于此，来自北京理工大学的李丽教授、吴锋院士团队，在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“Carbon neutrality strategies for sustainable batteries: from structure, recycle, property to application”的综述文章。

该文章采用结构-回收-性能-应用的有机四面体对目前锂二次电池的回收技术进行了全面的分析。并从多个维度评估了未来极具前景的新一代储能电池，并基于锂离子电池的回收现状及回收理论，提出了可能的回收技术。此外，面向碳中和转变，概述了锂二次电池和下一代化学储能电池关键材料回收技术的发展前景和面临的挑战。

图1. 材料回收系统的有机四面体

本 文 要 点

要点一：可充电电池的环境影响

电池制造阶段在电池的整个生命周期中对环境影响占主导地位。电池制造过程中的电极、组装和成型部分是主要的碳排放来源。在制造LIB电极材料时，正极材料消耗的能量最大，其次是负极材料。减少碳排放的最佳方式是用更清洁的能源组合的电力来制造电池，其中包括用于电池生产的绿色电力以及用于制造电池上游必要部件的绿色电力。提高电池的比能量可能会间接地改善整个制造过程的环境性能。

优化电池材料生产技术和提高能源使用效率将大大改善电池的环境影响。无论是初始使用还是回收再使用，可充电电池的环境效益都强烈依赖于电力来源。循环回收利用有可能通过提取用于制造新电池的材料，从而消除新原料的加工，最大限度地减少二氧化碳的排放。保证动力电池资源的绿色供应和提高可再生能源在充电链中的比例至关重要。

要点二：现有的LIBs回收技术

物质的能量本身存在于微观结构中，不同材料具有不同的微观结构。例如，废旧阴极材料通常是占据八面体位置的Li（或在LMO材料中占据四面体位置的Li）和占据八面体位置的过渡金属，依靠离子键来固定它们。因此，废料本身的能量被储存在这些金属多面体中。当废旧材料被回收时，其运动被改变，储存在金属多面体中的能量可以被转化为其他形式的能量，如热能。

因此，废旧材料的不同微观结构导致了不同的回收技术。多样化的回收方法产生于具有不同结构和成分的电极材料，而产品的特性最终决定了它们的使用方式。这些要素有机地构成了电极材料回收技术的四面体。

要点三：下一代可充电电池全生命周期碳中和策略

下一代储能电池的电池材料结构和组装工艺与现有的锂离子电池有很大不同。要解决现有锂离子电池的回收问题，首先要在开发新的电池材料时考虑到回收方面的问题，如简单的拆解和安全的回收。例如，拆卸后易于与活性材料分离的粘合剂，以及具有高安全性和稳定性的电解质等。此外，根据目前对锂离子电池回收的研究现状，基于破坏材料内在结构的回收技术存在高能耗、高污染、高化学消耗等问题。在处理下一代电池时，应尽可能选择直接修复或升级回收工艺。

要点四：前景及挑战

关键电池材料的回收逐渐成为储能领域的一个重要课题，这也与人类生活和社会发展高度相关。结合目前锂离子电池回收技术的发展和实际应用，废旧材料本征能量损失严重的回收技术往往会完全破坏材料结构，使回收过程缺乏选择性，从而导致金属回收率低。未来，需要大力研究和开发本征能量完全保留策略，逐步实现废物直接修复和提升技术的落地和产业化。

（1）考虑混合材料系统的短程循环修复，进一步深入研究耦合修复机制。其发展趋势是通过工艺设计与绿色化学原理的结合，创造一种低能耗、对环境无害的直接修复工艺，实现废旧锂离子电池混合体系的短程修复。

（2）积极开发升级改造技术，例如，可以考虑在修复的同时对电极材料进行原位改性，以提高Li+的传输效率和电化学稳定性。对于结构损坏严重、纯度低的废料，升级改造后的材料可以用于要求不高的领域。

（3）基于产物高值化开发环境友好的选择性转化过程。虽然学者们开发的转化技术在一定程度上降低了焙烧温度，但仍存在高能耗的问题。此外，由于需要控制产品的形态和颗粒大小，有必要采取有效的强化手段来降低固相转化温度，以减少能源消耗。

（4）根据现有的LIBs回收策略，需要全面分析关键下一代储能电池电极材料的结构和失效机制，从而采取相应的回收技术。未来，下一代储能电池关键材料直接修复和升级回收将是研究的重点方向。

审核编辑 ：李倩