大连化物所提出一步法电池回收工艺，实现向下一代储能电池的转变

他是加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、加拿大国家最高科技奖获得者、加拿大国家首席科学家。在 44 岁之时，便成为加拿大最年轻的两院院士。

此前，他曾担任加拿大滑铁卢大学清洁能源先进材料实验室主任、滑铁卢大学电化学能源中心主任，他的名字叫陈忠伟。

2023 年，陈忠伟全职回国加盟大连物理化学研究所。前不久，他和国内团队设计出了一种一步法电池回收工艺。

图 | 陈忠伟（来源：资料图）

这是一种高附加值的再生方法，通过选用更加环保的有机酸，不仅大大提高了电池回收效率，也降低了电池回收成本。

目前，我国 90% 以上的镍和钴资源依靠进口，而废旧锂电池中蕴含这些高价金属元素。

2022 年，我国回收废旧锂电回收共 300258 吨。其中三元废料 188692 吨，磷酸铁锂废料 94551 吨，钴酸锂废料 17015 吨。

而该课题组提出的高附加值再生方法，在一步法的帮助之下，能将退役回收的正极材料中的高价金属元素浸出回收，进而作为原料并通过一步法开展共沉淀过程，从而再生成为全新的正极材料。

随后，正极材料可被用于下一代低成本、高安全的钠离子电池中，实现向下一代储能电池的转变。

如今，碳酸锂的价格已经上涨到每吨 45 万多元。在这种情况之下钠离子电池的优势不断突出，以钠为原料的氯化钠价格每吨只要几千元，同时安全性和低温性能也更高。

而在本次研究之中，该团队通过回收的方法，将退役的锂离子电池正极材料，转化为低成本的钠离子电池正极材料，大大降低了储能电池的成本，为低成本钠离子电池的商业化铺平了道路。

日前，相关论文以《锂离子和后锂离子电池废阴极的可持续再生》（Sustainable regeneration of spent cathodes for lithium-ion and post-lithium-ion batteries）为题发在 Nature Sustainability（IF 27.6）。

杨庭舟是第一作者，大连化物所陈忠伟院士与张永光研究员担任共同通讯作者[1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Sustainability）

提前布局蓝海市场

事实上，课题组开展本次研究基于一个宏大的新能源背景。2023 年，全球累计交付 1420 万辆新纯电动汽车和插电式混合动力汽车。

美国和加拿大的电动汽车销量同比增长 46%，中国同比增长 36%。

与电动汽车大产大销形成鲜明对比的是：退役动力电池回收环节的规范化回收率较低，无法满足即将到来的新能源汽车大规模集中退役潮，因此动力电池回收难题急需得到解决。

动力电池回收，主要包括梯次利用和循环利用。

在梯次利用中，假如电池容量处于 20%-80% 之间，就能用于储能电站、两轮电动车、太阳能储能系统、通信基站等。

在循环利用中，假如电池容量低于 20%，就要进行报废和拆解处理，进而提取里面的高价值金属元素。

目前，商业化循环利用主要采取复杂的萃取-沉淀-煅烧三步法工艺，并选用强酸作为萃取剂，导致废液很难被再回收处理。

多年来，该团队以面向低成本、高容量、高安全性、高便利性的新型电池技术需求为出发点，聚焦动力电池领域的相关问题，开展了围绕电化学、能源、材料、人工智能等多学科交叉融合的研究。

课题组了解到：仅 2023 年我国退役动力电池总量就超过 58 万吨。预计到 2030 年，我国动力电池回收市场规模将突破千亿元。

这样一个庞大的市场规模，促使他们针对动力电池的可持续回收开展了持续研究，借此得以提前布局这一蓝海市场。

近几十年来，随着技术的进步和成本的降低，目前在消费电子和交通电气化等行业，锂离子电池占据主导地位。

但是，上述两个驱动因素都显示出发展放缓的迹象。

在无锂领域，钠离子电池被认为是最有前途的技术之一。

据宁德时代公司发布的数据显示，该公司的第一代钠离子电池的能量密度达到 60Wh/kg，常温下充电 15 分钟就能存储 80% 以上的电量，在零下 20 度的低温环境中拥有 90% 以上的放电保持率。

（来源：Nature Sustainability）

实现向低成本钠离子电池的转变

而在更早之前，陈忠伟团队在钠离子电池、以及下一代高性能钠基正极材料的研究中发现，钠基正极需要的过渡金属元素，与退役动力电池富含的高价值过渡金属元素正好吻合。

于是，他们设想通过设计回收方案，利用电池回收的方式，实现向低成本钠离子电池的转变。

一开始，课题组定下了“四高”的研究目标：高效率、高安全、低成本、高性能。

在对电池回收流程进行深入了解之后，他们改造了此前锂电池正极制备时使用的全混合厌氧反应器进，进而打造了一步发正极再生工艺。

基于前期该团队在钠基正极上设计的掺杂工艺，历经近百次的配方调整之后，终于利用退役正极材料制备出了多种钠基正极材料。

这些材料的结构呈现出均匀的立方体形状，且都具备较高的性能。

为进一步验证钠基正极材料的可行性，课题组开展了初试放大实验和中试放大实验，实验结果显示这些钠基正极材料可以满足商业化放大的要求。

（来源：Nature Sustainability）

为了对比一步法电池回收工艺与传统三步法回收工艺之间，该团队建立了一整套生命周期分析模型和经济技术分析模型。

通过此，针对动力电池技术和电池回收技术从原材料冶金、到电池报废回收的全生命周期，课题组开展了模拟分析，并探讨了相关电池技术的可行性和利润率。

据介绍：

全生命周期分析，涉及从原材料开采、生产、使用、废弃处理的所有环节。

其中包括原材料提取对于环境的影响、生产过程的能源消耗和排放、电池的使用阶段、以及废弃电池的处理方式。

经济技术分析，则涉及到对于锂电池生产成本、效率、可持续性、以及市场前景的评估。

其中会考虑生产过程中的投入与产出、以及电池的性能、寿命和成本效益等因素。

综合考虑全生命周期分析和经济技术分析，能更好地评估锂电池作为能源存储解决方案的可行性和可持续性，以及其在能源体系中所扮演的角色和发展趋势。

据了解，回收再生动力电池不仅能降低制造新电池的成本，还能大幅减少电池生命周期内的碳排放，从而推动绿色低碳发展。

未来，该团队将持续关注退役动力电池的可持续回收，从电池设计、电池破碎分离和正极材料再生三个方面开展工作。

在电池设计方面，需要在设计阶段就考虑循环利用和拆解的便利性。

针对此：

首先，可以采用模块化设计，使电池组件更易于分离和更换。

其次，可以使用环保且可再生的材料，减少有害物质的使用，帮助降低回收过程中的环境污染。

再次，通过标明电池材料的种类和比例，以便在回收过程中进行分类和处理。

最后，研发可重复使用的电池包装和外壳，也能提高整体回收效率。

而对于退役动力电池的破碎和分离，课题组计划首先通过机械破碎，将电池拆解为较小的颗粒，随后使用物理方法和化学方法进行分离。例如，磁悬技术和浮悬技术可以有效去除杂质，提高正极材料的纯度。

在正极材料的可持续再生上，该团队将进一步筛选不同的环保萃取液和正极制备方法，以用于正极材料的再生过程，助力于提高再生材料的质量和效率。

预计这些措施的结合不仅能提升回收效率，还能推动电池回收行业的可持续发展。

（来源：Nature Sustainability）

结合人工智能技术，推出第一代电池数字大脑 PBSRD Digit 1.0

与此同时，课题组也一直关注人工智能在材料领域的应用。

最近，他们推出了第一代电池数字大脑 PBSRD Digit 1.0。该系统通过结合电化学模型和人工智能技术，能够实现电池故障早期预警、状态估计、寿命预测等功能。

据介绍，第一代电池数字大脑的核心在于构建“电化学模型+人工智能”的模型框架。

这一模型框架不仅能提高电池管理系统的准确性，保障电池的安全可靠性，还能通过机器学习不断优化自身性能、实现自我完善。

而利用该团队在电化学领域的积累，并结合人工智能的数据处理和模式识别能力，他们开发了一款智能算法，该算法可以实时监测电池状态、预测电池健康状态和剩余使用寿命。

此外，他们还建立了一款电池性能云数据库，通过收集和分析来自不同场景和不同工作条件下的电池数据，利用这些数据来训练和验证算法模型，确保电池数字大脑的高可靠性和高适应性。

另据悉，陈忠伟院士于 2023 年加盟大连物理化学研究所，随后组建了能源催化转化全国重点实验室学术委员会和动力电池与系统研究部。

目前，陈忠伟已经组建了百余人的科研团队和工程师团队。

其中：

科研团队通过实验和研究，产生新的科技成果；工程师团队则负责将这些成果转化为可行性产品或解决方案。

通过此，陈忠伟希望加速科研成果的商业化过程，实现从科学发现到市场落地的无缝衔接。

参考资料：

1.Yang, T., Luo, D., Zhang, X. et al. Sustainable regeneration of spent cathodes for lithium-ion and post-lithium-ion batteries. Nat Sustain (2024). https://doi.org/10.1038/s41893-024-01351-5

排版：刘雅坤