登录
 机构网站
  1. 首页
  2. 情报产品
  3. 快讯详情

《【Advanced Functional Materials 】科学家们找到了更快、更清洁的方法来从电池废料中提取锂》

  • 来源专题：新能源汽车
  • 编译者： 王晓丽
  • 发布时间：2024-07-30

  • 作为清洁能源的“白金”，锂是大大小小的电池的关键成分，从为手机和笔记本电脑供电的电池到电网规模的储能系统。


    虽然锂资源相对丰富，但由于受电动汽车热潮、净零排放目标和地缘政治因素的影响，锂的采购环境十分复杂，这种银白色金属可能很快就会出现供应短缺。 2023 年，锂离子电池（LIB）全球市场价值将超过 650 亿美元，预计未来 8 年将增长 23%，这可能会加剧锂供应方面的现有挑战。 此外，从废旧电池中回收锂不仅对环境造成负担，而且效率极低--Pulickel Ajayan 领导的莱斯大学研究团队正在努力改变这一现状。

    在发表于Advanced Functional Materials 的最新研究中，研究人员介绍了一种利用微波辐射和一种易于生物降解的溶剂进行选择性锂回收的快速、高效和环保的方法。 研究结果表明，新工艺能在短短 30 秒内回收废锂电池阴极中多达 50% 的锂，从而克服了锂电池回收技术的一个重大瓶颈。

    "这项研究的两位主要作者之一、莱斯学院阿贾扬纳米材料实验室的博士后索希尼-巴塔查里亚（Sohini Bhattacharyya）说："近年来，我们看到锂电池的使用量大幅增长，这不可避免地引发了人们对阴极中使用的锂、钴和镍等关键金属的供应问题的担忧。 "因此，回收废LIB以回收这些金属非常重要。

    传统的回收方法通常使用强酸，而深共晶溶剂（DES）等替代性环保溶剂则在效率和经济可行性方面存在困难。 此外，目前的回收方法只能回收不到5%的锂，这主要是由于回收过程中的污染和损耗，以及回收的高能耗性质。"回收率如此之低，是因为锂通常是在所有其他金属之后最后析出的，所以我们的目标是找出如何专门针对锂，"该研究的另一位主要作者、莱斯大学的博士校友Salma Alhashim说。


    与油浴等传统加热方法相比，微波辅助加热能以几乎100倍的速度实现类似的效率。 例如，使用基于微波的工艺，研究小组发现只需 15 分钟就能浸出 87% 的锂，而通过油浴加热则需要 12 小时才能获得相同的回收率。"这也表明，只需调整 DES 的成分，就能实现对特定元素的选择性，"Alhashim 说。 "另一个优势是溶剂稳定性： 由于油浴法耗时更长，溶剂开始分解，而微波加热周期短，不会出现这种情况。"这种突破性的方法可以显著改善锂电池回收的经济和环境影响，为日益严重的全球问题提供可持续的解决方案。

    "这项研究的通讯作者、莱斯大学本杰明-M.和玛丽-格林伍德-安德森工程学教授、材料科学与纳米工程系教授兼系主任阿贾扬说："这种方法不仅提高了回收率，而且最大限度地减少了对环境的影响，这使它在大规模部署基于DES的回收系统以进行选择性金属回收方面迈出了充满希望的一步。

    原文链接: Salma H. Alhashim et al, Microwave Assisted Ultrafast, Selective Lithium Extraction in Deep Eutectic Solvent for LIB Cathode Recycling, Advanced Functional Materials (2024). DOI: 10.1002/adfm.202404570



  • 原文来源：https://techxplore.com/news/2024-07-scientists-faster-cleaner-lithium-battery.html
115浏览量
原文链接
相关报告

  • 《科学家找到提取锂的新方法》
    • 来源专题：能源情报网监测服务平台
    • 编译者：郭楷模
    • 发布时间：2024-12-09
    • 如今，作为电动汽车制造、航空航天等许多领域必不可少的关键金属，锂被称为“白金”“白色石油”。据《科学》报道，近期的一系列研究成果有望实现锂的高效、低能耗、绿色提取。 全球锂资源供不应求。目前大部分锂开采自智利、阿根廷、玻利维亚等地巨大的含锂盐水蒸发池。人们通过日照蒸发水分并浓缩锂离子，然后向其中添加化学物质，使锂以固体碳酸锂的形式析出。然而，采用这种提取方法仅蒸发这一步就需要一年多时间，并且绵延数百平方公里的蒸发池大多设在沙漠中，建造和维护成本高昂。 为解决上述问题，研究人员一直在探索高效、低能耗、绿色的锂资源开采方法。例如用电力替代太阳光，该方法通常会设置两个装有电极的腔室，一个充满盐水，另一个充满纯净水，两个腔室由一层只允许某些特定离子通过的膜隔开。纯水腔室中的水分子电离产生氢气和氢氧根离子，这些带负电的离子会吸引盐水腔室中带正电的锂离子，并使其穿过膜。同时，在盐水腔室一侧，水在电极上失去电子，最终产生氧气。如此循环往复，直至纯水腔室中的锂浓度足够大而沉淀出来。 这个方法并不新鲜，但存在两个弊端。一是该装置需要消耗大量电力，且大部分用在形成氧气的非常缓慢的反应上;二是盐水腔室会缓慢反应生成有毒的氯气。 如今，美国斯坦福大学材料科学家崔屹等人开发了一种缓解上述问题的方法，即在锂离子被吸引到纯水腔室时，捕获该腔室产生的氢气，并将其输送到掺有氢氧化钠的盐水腔室。这种廉价添加剂释放的氢氧根离子，只需要很小的电压就可以与注入的氢气反应并形成水。该方法将整个装置的电力需求减少了80%，并从一开始就防止了氧气的形成。此外，上述快速反应还可以防止有毒氯气的生成。相关研究成果近日发表于《物质》。 崔屹团队此前曾利用银电极开发了一种能一边发电一边提取锂的装置。虽然该装置提取锂的速度大约只有新方法的一半，但增加了锂提取有一天成为负碳过程的可能性。 在另一项研究中，美国莱斯大学的工程师Lisa Biswal和同事开发了一种3腔室装置，也同样能够抑制有毒氯气的产生。相关研究近期发表于美国《国家科学院院刊》。 研究人员将盐水腔室设置在两个装有电极的纯水腔室之间，3个腔室通过离子膜分隔。Biswal说，锂离子在通电后最终会集中在其中一个纯水腔室中，离子膜则使氯离子保留在中间的盐水腔室中，从而防止它们遇到纯水腔室中的电极而生成氯气。 “如果我们能实现更快、更高效、低能耗的采集，那么就会有足够的锂满足我们的所有需求。”Biswal说。(徐锐) 相关论文信息： https://doi.org/10.1073/pnas.2410033121
    69浏览量
    原文链接

  • 《科学家将核废料转化为可持续使用1000年的钻石电池》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2022-04-26
    • 核能被认为是一种清洁能源，因为它的二氧化碳排放量为零;然而，与此同时，随着世界各地越来越多的反应堆的建成，它产生了大量的危险的放射性废物。专家们为这个问题提出了不同的解决方案，以便更好地照顾环境和人们的健康。由于没有足够的安全储存空间来处理核废料，这些想法的焦点是材料的再利用。 放射性钻石电池在2016年首次被开发出来并立即受到好评，因为它们承诺提供一种新的、具有成本效益的核废料回收方式。在这种情况下，不可避免地要斟酌它们是否是这些有毒、致命残留物的最终解决方案。 什么是放射性钻石电池? 放射性钻石电池最初是由布里斯托尔大学卡博特环境研究所的一个物理学家和化学家团队开发的。这项发明是作为一种β辐射电转换设备提出的，这意味着它是由核废料的β衰变提供动力。 β衰变是一种放射性衰变，当一个原子的原子核有过量的粒子并释放一些粒子以获得更稳定的质子和中子的比例时就会发生。这就产生了一种被称为β辐射的电离辐射，其中涉及大量被称为β粒子的高速和高能电子或正电子。β粒子含有核能，可以通过半导体转化为电能。 β衰变是一种放射性衰变，当一个原子的原子核有过量的粒子并释放一些粒子以获得更稳定的质子和中子的比例时就会发生。 一个典型的betvoltaic电池由置于半导体之间的放射性材料薄层组成。当核材料衰变时，它发射出β粒子，将半导体中的电子击散，产生电流。然而，放射源离半导体越远，其功率密度就越低。除此之外，由于β粒子是随机向各个方向发射的，只有少数粒子会击中半导体，而其中只有少数粒子会被转化为电能。这意味着核电池的效率比其他类型的电池低得多。这就是聚晶金刚石(PCD)的作用。 放射性钻石电池是使用一种叫做化学气相沉积的工艺制造的，这种工艺被广泛用于人造钻石的制造。它使用氢气和甲烷的混合等离子体，在非常高的温度下生长金刚石薄膜。研究人员通过使用含有放射性同位素Carbon-14的放射性甲烷，对CVD工艺进行了修改以生长放射性钻石，这种放射性同位素在经过辐照的反应堆石墨块上发现。 钻石是人类所知的最硬的材料之一--它甚至比碳化硅更硬。而且它既可以作为一个放射源，也可以作为一个半导体。把它暴露在β射线下会得到一个不需要充电的长效电池。它内部的核废料一次又一次地为它提供燃料，使它能够长期自我充电。然而，布里斯托尔的科研团队警告说，他们的放射性钻石电池不适合用于笔记本电脑或智能手机，因为它们只含有1克碳-14，这意味着它们提供的功率非常低--只有几微瓦，低于典型的AA电池。因此，到目前为止，它们的应用仅限于那些必须长时间无人看管的小型设备，如传感器和心脏起搏器。 核电池的起源可以追溯到1913年，当时英国物理学家亨利-莫斯利发现，粒子辐射可以产生电流。在20世纪50年代和60年代，航空航天工业对莫斯利的发现非常感兴趣，因为它有可能为长期任务的航天器提供动力。RCA公司也研究了核电池在无线电接收机和助听器中的应用。 但为了发展和维持这项发明，还需要其他技术。在这方面，合成钻石的使用被认为是革命性的，因为它为放射性电池提供了安全性和导电性。随着纳米技术的加入，一家美国公司打造了一个高功率的纳米钻石电池。 NDB公司总部位于加利福尼亚州旧金山，成立于2012年，目标是创造一种更清洁、更环保的传统电池替代品。这家初创公司在2016年推出了其版本的基于钻石的电池，并宣布在2020年进行两项概念验证测试。它是试图将放射性钻石电池商业化的公司之一。NDB的纳米钻石电池被描述为Alpha、Beta和中子辐射电池，根据他们官网的介绍，有如下特点： 持久性。该公司计算出这些电池可以持续28000年，这意味着它们可以为长期任务中的空间飞行器、空间站和卫星提供可靠的动力。地球上的无人机、电动汽车和飞机将永远不需要停下来充电。 安全。钻石不仅是最坚硬的物质之一，也是世界上最有导热性的材料之一，这有助于保护电池中的放射性同位素所产生的热量，使其迅速变成电流。 市场友好性。其中的PCD薄膜层使电池可以允许不同的形状和形式。这就是为什么纳米钻石电池可以有多种用途，进入不同的市场，从上述的空间应用到消费电子。不过，消费版寿命不会超过十年。 纳米钻石电池计划在2023年进入市场。 Arkenlight是将布里斯托尔的放射性钻石电池商业化的英国公司，计划在2023年下半年向市场发布他们的第一个产品。 放射性钻石电池的未来 现代电子设备的便携性，电动汽车的日益普及，以及21世纪将人类带入火星的长期太空任务的竞赛，在过去几年中引发了人们对电池技术研究的日益关注。 一些类型的电池更适合于某些应用，而对另一些应用则不那么有用。但我们可以说，我们熟悉的传统锂离子电池不会很快被放射性钻石电池取代。 传统电池的持续时间较短，但它们的制造成本也更低。然而，与此同时，它们的寿命并不长(它们的寿命约为5年)，这也是一个问题，因为它们也会产生大量的电子垃圾，不容易回收。 放射性钻石电池更方便，因为它们的寿命比传统电池长很多。如果它们能像NDB公司提出的那样被开发成通用电池，那么我们最终可能会得到比智能手机寿命长得多的电池。 然而，Arkenlight公司开发的钻石β辐射电转换技术不会走那么远。该公司正在研究将其大量的碳-14betab电池堆叠成电池的设计。为了提供高功率的放电，每个电池可以伴随着一个小型的超级电容器，这可以提供一个优秀的快速放电能力。 然而，这种放射性材料的寿命也超过了5000年。如果辐射以气态形式从设备中泄漏出来，可能会成为一个问题。这就是钻石出现的原因。在钻石的形成中，C-14是一种固体，所以它不能被生物提取和吸收。 英国原子能管理局(UKAEA)计算，100磅(约45公斤)的碳-14足以拿来制造数百万个基于钻石的长寿命电池。这些电池还可以降低核废料的储存成本。 布里斯托尔大学研究员汤姆-斯科特教授告诉Nuclear Energy Insider说："通过直接从反应堆中去除辐照石墨中的碳-14，这将使剩余的废物产品的放射性降低，因此更容易管理和处置。处置石墨废物的成本估计为：中级废物[ILW]每立方米46,000磅(60,000美元)，低级废物[LLW]每立方米3,000磅(4,000美元)。" 所有这些特点正是我们需要的可持续未来的最佳选择之一，我们可以拭目以待，看看制造商是否能找到处理生产成本和低能量输出的方法，并将他们的钻石基电池以成本效益和可获得的方式推向市场。
    388浏览量
    原文链接