鋰離子電池獲得諾獎(jiǎng)名至實(shí)歸，它毫無疑問改變了當(dāng)前的世界和我們的生活方式。從智能手機(jī)到電動(dòng)汽車，從筆記本電腦到宇宙飛船，當(dāng)前只要涉及儲(chǔ)能、充放電的領(lǐng)域，往往都能找到鋰離子電池的身影。也正因?yàn)槿绱?，商業(yè)鋰離子電池的產(chǎn)量不斷增加，據(jù)估計(jì)2026年全世界的鋰離子電池年產(chǎn)量將比2017年高5倍。不過這也帶來一個(gè)日益嚴(yán)重的問題——鋰離子電池使用壽命終結(jié)之后，將去向哪里？很明顯，如果不能進(jìn)行有效的回收，提供一個(gè)閉環(huán)解決方案，報(bào)廢的鋰離子電池將導(dǎo)致驚人的廢物累積，對(duì)環(huán)境和生態(tài)帶來災(zāi)難性的影響，并產(chǎn)生無法估量的資源浪費(fèi)。問題很緊迫，但現(xiàn)狀卻很無奈。目前只有不到5%的廢鋰離子電池被回收，并且商業(yè)化的鋰離子電池回收方法也主要集中在從正極中回收Li、Co、Ni和Mn等有價(jià)值的金屬，而負(fù)極要么燃燒發(fā)電，要么進(jìn)垃圾填埋場(chǎng)。鋰離子電池負(fù)極一般由高品質(zhì)石墨構(gòu)成，占電池總重量的約20%，總成本的約15%，電池級(jí)石墨的成本相當(dāng)高，但由于缺乏高效和高性價(jià)比的回收方法，業(yè)界對(duì)回收負(fù)極的重視程度并不夠。

　　近日，美國萊斯大學(xué)James M. Tour教授課題組提出了一種超快的“閃熱回收（flash recycling）”方法再生石墨負(fù)極，同時(shí)還可回收寶貴的電池金屬資源。他們使用的關(guān)鍵技術(shù)是此前發(fā)過Nature 的閃速焦耳加熱（flash Joule heating, FJH），通過高壓放電在不到1秒的時(shí)間內(nèi)就可達(dá)到3000 K以上的高溫，以快速制備石墨烯（Nature, 2020, 577, 647，點(diǎn)擊閱讀詳細(xì)）。在本文中，他們將這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了調(diào)整，用于再生石墨負(fù)極。僅需幾秒鐘的選擇性焦耳加熱，廢石墨負(fù)極中的電阻性雜質(zhì)就被有效分解。產(chǎn)生的無機(jī)鹽，包括Li、Co、Ni和Mn，可以使用稀釋的酸（0.1 M HCl）很容易地從處理過的廢負(fù)極中回收。與使用高溫煅燒方法回收的負(fù)極材料相比，閃熱回收的負(fù)極保留了石墨結(jié)構(gòu)，并且外覆一層固體電解質(zhì)界面（SEI）衍生的碳?xì)?，使其具有?yōu)良的電化學(xué)性能，完全可以再次用于鋰離子電池。對(duì)現(xiàn)有石墨生產(chǎn)和回收方法的生命周期分析表明，閃熱回收可以顯著降低總能耗和溫室氣體排放，同時(shí)使負(fù)極回收成為在經(jīng)濟(jì)上有利的過程。相關(guān)論文發(fā)表于Advanced Materials 雜志。

圖1. 石墨負(fù)極的閃熱回收。圖片來源：Adv. Mater.

圖2. 閃速焦耳加熱裝置電路圖及實(shí)物。圖片來源：Adv. Mater.

圖4. 閃熱回收石墨負(fù)極的表征。圖片來源：Adv. Mater.

圖5. 閃熱回收石墨負(fù)極的電化學(xué)性能。圖片來源：Adv. Mater.

圖6. 閃熱回收法的經(jīng)濟(jì)環(huán)境分析。圖片來源：Adv. Mater.