回收电池材料比新挖的还好用?研究成果已商业落地,论文一作均为华人

新闻 2022-03-28 万博
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万博 发自 副驾寺

智能车参考 | 公众号 AI4Auto

动力电池回收赛道,这项新研究进展,非常值得关注:

回收废旧电池提取的阴极原材料,比新挖的材料应用效果还要好。

不仅充电速度快,循环寿命还吊打原矿材料锂电池。

而且这项研究成果,目前已经成功投入商用

对于正在遭受电池原材料供应不稳,价格飞涨的新能源汽车行业来说,这无疑是一剂强心针。

回收材料比新挖的还好用?

研究成果,出自伍斯特理工学院材料科学教授王岩和美国先进电池联盟(USABC)学术团队,发表在著名学术期刊《焦耳杂志》上。

该学术团队,通过对NMC111锂电池阴极锰、钴、镍元素的回收、加工和再生产,发现用回收材料制造的锂电池,在循环寿命和充电速度方面,有更大的优势。

取得巨大突破的关键,在于王岩团队回收利用废旧锂电池的过程,与当下的主流路线有所区别。

目前主流的电池回收拆解方式,简单粗暴的“一锅烩”,直接拆解粉碎整个电池,包括电子电路、外壳等部分,然后全部溶解在酸中,最后在一堆成分复杂的混合物中,提取出镍、钴、锰化合物,之后加入新的阴极元素。

而王岩团队对废旧电池的回收处理,则是精细化作业,首先对电池粉碎处理后,再通过物理方法,单独回收电池内部的电子电路和外壳部分。剩余的电池正负极材料混合粉末,正极材料通过酸溶液进行溶解提取,去除杂质;负极材料,则以沉淀的形式进行收集。

之后再对正极材料加入适当比例的镍、钴、锰,让3种元素的比例达到均衡,最后经过加工处理,产出阴极材料化合物颗粒,完成一次废旧电池阴极材料的生命轮回。

就在这个过程中,王岩团队有了一个极有价值的发现:

通过他们的回收再利用过程,生产出的阴极材料颗粒,表面具有更多孔隙,同时颗粒中心,还有一个较大的孔隙。

这就意味着阴极晶体为锂离子提供了更大空间,当锂离子在进入其中的时候,阴极晶体可以微度膨胀,从而让回收再造的阴极晶体,相比新元素制造的阴极晶体更加牢固。

最后的结果就是,电池的使用寿命更持久。

同时,更多的孔隙也意味着更大的表面积,可以让锂电池在充电过程中,锂离子发生更快的化学反应,从而加快锂离子电池的充电速度

为了验证理论在现实中的可行性,王岩团队用回收材料制作了与电动车能量密度相同的1A·h-11A·h的锂电池,并进行了大规模的工业验证。

验证发现,使用回收材料制作的1A·h锂电池,在80%和70%的容量保持率下,可实现4200次和11600次循环寿命,比最先进的商业化锂离子电池提升33%和53%。

同时在充电速率方面,也较新矿材料制作的锂电池,有不少的提升。

产业落地如何?

目前,该研究成果,已经开启商业化落地,背后推动这一进程的,正是王岩参与创办的电池回收初创公司升腾元素(Ascend Elements)。

据了解,升腾元素目前已经在小范围内,向电池制造商提供回收阴极材料,并同电池巨头韩国SK,签署电池原材料回收协议。

今年,升腾元素将在美国建造其第一座电池回收工厂,同时计划今年年底,在欧洲同时落地两座电池回收工厂。

事实上,在电动车风头正盛的今天,看上废旧电池回收这门生意的,不止王岩教授和他的升腾元素。

这其中最具代表性的,是前特斯拉CTO施特劳贝尔(JB Straubel),和他所创办的红木材料(Redwood Materials)。

但相比于升腾元素,红木材料的商业模式更加简单粗暴:

上接主机厂回收电池,下联电池厂提供原材料,自己在中间,做电池原材料回收和提取,典型的B2B生意。

不过,红木材料的技术优势,在于原材料的提取能力上,据官方数据披露,红木材料的回收技术能够回收利用废旧电池中95%的的镍、钴、铝和石墨,以及超过80%的锂。

站在行业上来看,属于头部水平。

目光拉近,看向国内,电池回收生意的热度,最近几年只增不减。

到底有多热?用2组学界和业界的数据感受一下:

国家知识产权局数据显示,最近20年,我国与电池回收相关专利共有1458件,其中2017年以来申请的相关专利有1146件,占比近8成。

业界来看,根据工信部公布的47家《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件》白名单企业中,有42家是最近两年拿到行业准入资格的。

同时,整个行业还还呈现出另一大特点:巨头入场,跑马圈地。

目前,宁德时代、格林美、比亚迪等电池制造商,以及北汽等主机厂,都已经陆陆续续跑步布局相关赛道,或亲自下场开发技术,或寻找优质标的真金白银大举投入。

国外国内,随着电动车行业的风口,过去和“捡破烂”划等号的电池回收生意,如今开始走向资本和产业的庙堂。

但热度之下,问题也依旧存在。

比如动力电池梯次利用规范不明,再比如正规军干不过黑作坊这类劣币驱除良币现象……总的来说,难题并不集中在技术上,而是在行业规范和标准的明确上。

但随着动力电池退役高峰的来临,以及电池原材料长期高居不下的现状,这座移动的矿产蛋糕,只会越做越大,成熟的商业化模式,也会呼之欲出。

论文作者介绍

论文一作马晓途,伍斯特理工学院机械工程系博士后,研究领域包括电池材料、新能源。

本科毕业于吉林大学,专业是化学;2015年进入美国史蒂文斯理工学院,主修材料工程与科学,并于2017年取得硕士学位;同年进入伍斯特理工学院,2021年9月获得材料工程与科学博士学位。

共同一作陈梦圆,伍斯特理工学院材料工程与科学在读博士,主要研究锂离子电池,以及电池回收。

本科毕业于中国科学技术大学,2013年考入纽约州立大学石溪分校,并在2015年取得硕士学位;隔年考入伍斯特理工学,同时加入王岩教授课题组。

共同一作郑长峰,升腾元素公司高级电池材料工程师。

本科毕业于天津大学,主修电气化学;2008年考入在新加坡国立大学,主修生物分子工程,并于2011年取得硕士学位;同年进入伍斯特理工学院,主修材料工程与科学,2015年取得博士学位。2017年加入Ascend Elements公司。

通讯作者王岩,伍斯特理工学院机械与材料工程教授,同时也是学术团队负责人,Ascend Elements公司联合创始人。

本科和硕士研究生都在天津大学度过,2009年在加拿大温莎大学取得博士学位后,隔年进入麻省理工成为博士后。

话说回来,最近电动车行业的涨价潮,不也是因为电池原材料供应不稳定,价格飙升引起的?

这个时间点,这项研究成果的价值表露无疑:

如果真的能大规模商业化的话,这么大一个电池优质原材料「移动矿」,说不定有希望解决电池原材料困局,你说呢?

论文地址:

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(21)00433-5

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