莱斯大学用环保低共熔溶剂从电池中浸出钴锂

莱斯大学材料科学家Pulickel Ajayan实验室使用环保的低共熔溶剂从锂离子电池常用的金属氧化物中提取有价值的元素。研究人员表示，目标是减少使用苛刻的工艺来回收电池并使其远离垃圾填埋场。

由商品氯化胆碱和乙二醇制成的溶剂从粉末化合物中提取了90％以上的钴，从废旧电池中提取的含量较少，但相比目前其他提取技术多了。成果发布在《Nature Energy》上。

电池回收示意图

从拆卸LIB开始，将阴极废料插入DES（低共熔溶剂）中，然后加热并搅拌。通过溶解发生钴和锂离子的提取，并且在该步骤中，当过滤渗滤液时，可以单独回收铝箔，粘合剂和导电碳。然后可以通过沉淀或电沉积回收钴化合物，从而允许再利用这些有价值的材料。

“可再充电电池浪费，特别是来自锂离子电池的电池浪费，将来将成为越来越危险的环境挑战，因为通过它们在电动汽车和其他小配件中的使用对这些电池的需求急剧增加。重要的是回收钴等有限供应的战略金属，这些金属对这些储能设备的性能至关重要。从我们目前的塑料现状中学习的是，现在正是采取全面战略来回收不断增长的电池废弃物的最佳时机。” Pulickel Ajayan表示。

“以前曾尝试使用酸。它们是有效的，但它们具有腐蚀性，不环保。总的来说，回收锂离子电池通常很昂贵并且对工人来说是一种风险。”研究生和主要作者Kimmai Tran说道。

Tran继续补充，其他过程也存在缺陷。火法冶金涉及在极端温度下破碎和混合，有害烟雾需要擦洗。湿法冶金需要腐蚀性化学品，而其他提取金属离子的“绿色”溶剂通常需要额外的试剂或高温工艺才能完全捕获它们。

Tran表示，低共熔溶剂可溶解各种金属氧化物。“它实际上由鸡饲料添加剂和常见的塑料前体制成，当在室温下混合在一起时，形成清澈，相对无毒的溶液，具有有效的溶剂化性质。”

低共熔溶剂是两种或多种化合物的混合物，它们在远低于其每种前体的温度下冻结; 人们可以从简单的固体组合中获得液体。

Kimmai Tran认为，“冷冻和熔点的大幅下降是由于不同化学物质之间形成的氢键。通过选择合适的前体，可以制造具有有趣特性的廉价绿色溶剂。”

当Tran加入时，Rice集团已经在下一代高温超级电容器中测试共晶溶液作为电解质。然而，赖斯研究科学家和共同作者Babu Ganguli说，解决方案是溶解金属氧化物超级电容器; 共晶是从超级电容器的镍中提取离子。

“我们的团队正在讨论这个问题，我们很快意识到我们可以使用被认为是电解液不利因素，这是溶解和回收废旧锂电池的一个优势。”——Babu Ganguli

这成为了Tran的焦点，因为她在不同的温度和时间尺度上测试了金属氧化物上的低共熔溶剂。在使用锂钴氧化物粉末的测试期间，透明溶剂产生宽范围的蓝绿色，表明存在溶解在其中的钴。

在180摄氏度（356华氏度）下，当满足某些条件时，溶剂提取了近90％的锂离子和高达99％的钴离子。

研究人员制造了小型原型电池，并将电池循环300次，然后将电极暴露在相同的条件下。证明溶剂能够溶解钴和锂，同时将金属氧化物与电极中存在的其他化合物分离。

他们发现钴可以通过沉淀或甚至电镀到共晶溶液中回收到钢网，因为后一种方法可能允许重复使用深低共熔溶剂本身。

“我们专注于钴。从资源的角度来看，它是最关键的部分。手机中的电池肯定会有很多电池。锂也是非常有价值的，但钴尤其不仅环境稀缺，而且从社会的角度来看，也难以获得。”莱斯校友Marco Rodrigues，现在是阿贡国家实验室的博士后。

能源部正在加大推进电池回收技术的力度，最近又宣布了一个锂离子电池回收中心。国家科学基金会通过其研究生研究奖学金计划支持该研究。