數(shù)十億個廢棄的鋰離子電池，包括許多來自電動汽車的電池，正在積累，因為沒有成本效益高的工藝來恢復它們。現(xiàn)在，普林斯頓大學的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種廉價、可持續(xù)的方法來用舊電池制造新電池，并分拆了一家公司以擴大創(chuàng)新規(guī)模。

“我們看到的是，人們愿意給我們他們目前只是閑置的廢電池。他們從我們那里收到新的原始陰極材料，用于新電池的成本比他們自己制造的要便宜，” 普林斯頓 NuEnergy的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官、 機械與航空航天工程系的博士后研究員 Chao Yan說。

普林斯頓 NuEnergy 使用由研究人員開發(fā)的工藝，這些研究人員結(jié)合了不同領(lǐng)域的專業(yè)知識來解決一個長期存在的問題：如何轉(zhuǎn)化廢陰極材料，或鋰離子電池的昂貴部分，其中包含鈷、鎳、錳和鋰，進入原始的新陰極。

當前回收鋰離子電池的技術(shù)依賴于苛刻的化學品和高溫、高耗能的工藝，將廢電池分解成其基本成分。這些工藝在商業(yè)上和以環(huán)境可行的方式擴大規(guī)模一直具有挑戰(zhàn)性。相反，普林斯頓 NuEnergy 正在以直接回收的形式升級和更新陰極本身。

該團隊的工藝方法恢復了使用過的陰極的大部分結(jié)構(gòu)和成分，以及鈷和鋰。據(jù)研究人員稱，這種生成新鮮陰極材料的方法可減少約 70% 的用水量，以及 80% 的能源使用和排放量。

楊曉芳是普林斯頓大學副研究員，領(lǐng)導技術(shù)開發(fā)，是公司的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官。 Robert Porter Patterson 機械與航空航天工程 教授鞠一光和化學與生物工程教授Bruce Koel是聯(lián)合創(chuàng)始人并擔任技術(shù)顧問。

該團隊工藝的核心是使用低溫等離子體，這是一種極易反應(yīng)的電離氣體。由于這種反應(yīng)性，等離子體可用于進行化學反應(yīng)以從陰極粉末中去除污染物，否則這些污染物將需要非常高的溫度并且會大量分解材料。

普林斯頓 NuEnergy 團隊在不破壞陰極材料的情況下對其進行清理。他們的方法包括機械分離陰極和陽極材料，并使陰極粉末通過等離子體反應(yīng)器以去除使用電池產(chǎn)生的污染。

從歷史上看，回收涉及機械粉碎和熔煉電池材料以剝離單個元素或?qū)㈦姵厝芙庠趶娝嵬爸小；谒岬倪^程會產(chǎn)生大量金屬，從而消除了最初用于生產(chǎn)陰極的所有工作。這些方法被認為是間接的，因為它們涉及將電池材料分解成它們的元素成分，而不是將它們重整和再生成它們自己的新版本。

“酸把一切都分解到零，”嚴說。

“如果你有一塊面團，你可以試著輕輕揉捏它并賦予它不同的結(jié)構(gòu)。但基本上，你不要管它。你不會破壞它或?qū)⑵浞纸獬擅娣酆忘S油，”Koel 說。

Koel 表示，舊電池在其使用壽命期間從陰極材料中損失了一些鋰，因此普林斯頓 NuEnergy 將少量鋰添加到其再生陰極粉末中，生產(chǎn)出比全新陰極所需的更便宜的材料。

擴大這一過程不僅可以幫助緩解一些圍繞進口外國礦產(chǎn)的供應(yīng)鏈問題，而且還可以減少對環(huán)境和勞工問題猖獗的過度開采地區(qū)的礦產(chǎn)需求。世界上大部分鈷(例如陰極的關(guān)鍵成分)產(chǎn)于剛果民主共和國，那里的采礦經(jīng)常 涉及童工。

該團隊正在尋求擴大生產(chǎn)規(guī)模，看看該工藝是否適用于生產(chǎn)噸而不是公斤的陰極材料。該公司最近與總部位于的緯創(chuàng)綠色科技(德克薩斯)公司啟動了一個試點項目，該公司是科技公司的主要廢物處理商。

普林斯頓 NuEnergy 目前正在位于 德克薩斯州麥金尼的緯創(chuàng)綠色科技工廠建設(shè)一條加工線。通過這種合作關(guān)系，該公司計劃在 2022 年將產(chǎn)量提高到每天至少一噸。

“擴大規(guī)模始終是一項挑戰(zhàn)。在燒杯中進行是一回事，在辦公室大小的大桶中進行是另一回事，”Koel 說。“我們不能靠自己快速做到這一點。緯創(chuàng)有一條空的生產(chǎn)線，所以他們很想聽聽我們的建議。”

Koel 說，聯(lián)合創(chuàng)始人為他們的工藝開發(fā)了一些聰明的科學和工程，包括如何利用等離子體和操作反應(yīng)堆。該團隊希望他們能夠迅速擴大生產(chǎn)規(guī)模，因為人們對電池回收領(lǐng)域有濃厚的興趣，而且擁有競爭技術(shù)的公司可能會涌現(xiàn)。

研究人員表示，目前只有大約 5% 的廢舊鋰離子電池被回收。根據(jù)普林斯頓的 凈零排放研究，到本世紀中葉達到凈零排放意味著電動汽車的數(shù)量將從今天的大約 100 萬輛增加到 210 到 3.3 億輛。

電動汽車電池的使用壽命為 5 到 10 年，每輛車大約有 3,000 個電池單元，具體取決于型號。 IHC Markit 的分析 估計，目前有大約 100 億或約 465,000 噸舊電動汽車電池需要處理，預計到 2025 年這一數(shù)字將增長到 290 億。

“我們不僅僅是一家有想法的初創(chuàng)公司。我們認為將我們的技術(shù)轉(zhuǎn)移到一個真正的工業(yè)項目中是一個巨大的機會，這將使我們能夠大規(guī)模地回收和重新利用鋰離子電池，”Yan 說。

在緯創(chuàng)資通工廠，一條以前用于從電子印刷電路板中回收黃金的生產(chǎn)線將使用普林斯頓 NuEnergy 工藝改造為一條電池回收線，這展示了市場從對黃金的需求向礦產(chǎn)需求的轉(zhuǎn)變在鋰和鈷等鋰離子電池中。

研究人員表示，他們希望在幾年內(nèi)繼續(xù)提高回收能力，從消費電子電池擴展到電動汽車電池，甚至可能擴展到使用再生材料制造整個電池。

Chao 還在試驗替代等離子體方法，以確保沒有更好的反應(yīng)器??可供使用。這項工作的部分資金來自 普林斯頓加速器贈款。該公司現(xiàn)在在新澤西州博登敦的一個實驗室開展業(yè)務(wù)

“我們的再生陰極在小型紐扣電池測試中的性能非常出色，但歸根結(jié)底，我們將讓獨立的第三方說‘我們從他們那里獲取了他們的材料，我們制造了這些電池，這些電池可以工作偉大的。' 這是下一步，”科爾說。