近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院陳維教授課題組在國際知名期刊《Nature Sustainability》上發(fā)表了題為“Electrochemical lithium recycling from spent batteries with electricity generation”的研究型論文。該研究首次提出了一種基于電化學(xué)原理的綠色可持續(xù)廢棄物回收管理策略，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢舊鋰離子電池正極材料中的鋰資源回收和工業(yè)尾氣中的氮氧化物污染物的捕獲和轉(zhuǎn)化。研究團(tuán)隊(duì)巧妙設(shè)計(jì)了一種無能量消耗的回收方法，利用尾氣中二氧化氮的電化學(xué)還原電位與廢舊電池正極材料的電化學(xué)氧化電位差，不僅成功回收了廢舊電池正極材料中的鋰資源，還將二氧化氮轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的硝酸鋰鹽。與此同時(shí)，這一過程還能實(shí)現(xiàn)大量的能量輸出，為鋰回收與污染物治理提供了一種高效、環(huán)保且具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的全新解決方案。
 

　　圖1.廢舊鋰離子電池正極和二氧化氮污染物同時(shí)回收設(shè)計(jì)思路。

 

　　具體而言，鋰離子將自發(fā)地從廢舊鋰電池正極材料中脫出進(jìn)入電解液中而另一側(cè)的二氧化氮則會被還原為亞硝酸根，兩者結(jié)合形成的亞硝酸鋰為直接的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，同時(shí)產(chǎn)生大約0.4 V的輸出電壓。電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物亞硝酸鋰則會被空氣中的氧氣進(jìn)一步氧化成為更加穩(wěn)定的硝酸鋰產(chǎn)物。
 

　　NO2 capture: NO2+ e?→ NO2? Eo= 0.88 V vs. RHE (1)
 

　　Li recycling: LiFePO4? e?→ Li++ FePO4 Eo= 0.5 V vs. RHE (2)
 

　　Overall: LiFePO4+ NO2→ LiNO2+ FePO4 Eoutput= 0.38 V (3)
 

　　LiNO3 production: 2LiNO2+ O2→ 2LiNO3 (4)
 

　　作者分析了所提出的回收策略與傳統(tǒng)回收策略在經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等方面的優(yōu)劣勢。針對電池回收工藝中各個主要回收步驟的能耗、二氧化碳排放以及成本收益進(jìn)行系統(tǒng)性的核算后顯示，所提出的回收工藝在能耗和二氧化碳排放量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前主流的回收策略，表明該策略在綠色可持續(xù)經(jīng)濟(jì)上具有絕對的領(lǐng)先優(yōu)勢。對成本收益計(jì)算結(jié)果分析，表明所提出的策略也是優(yōu)于其它四種傳統(tǒng)回收策略。
 

　　圖2.不同回收策略的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

 

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院博士研究生王衛(wèi)平為論文的第一作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的陳維教授為該論文的唯一通訊作者。該研究工作得到自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃項(xiàng)目和面上項(xiàng)目，中國科大創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)培育基金，中國科大人才團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)理化實(shí)驗(yàn)中心、超算中心和微納中心提供的幫助。