您目前的位置: 首页» 综合新闻

北京理工大学吴锋院士&陈人杰教授Chem. Rev.:锂离子电池及电池新体系的可持续回收技术:挑战和未来前景

  

 

  新能源汽车、大规模储能等新兴技术的应用和需求,使得对发展高性能二次电池所需的电极材料、电解质和隔膜等越发重视,却忽视了锂离子电池(LIBs)和下一代可充电电池的资源再生和循环利用对产业可持续发展的重要性。鉴于退役动力电池的环境危害性和资源化价值的双重属性,在大力开发电池系统时应考虑电池的回收利用。然而,对于即将到来的动力电池退役潮,开发低成本、高效率、短流程的锂离子电池可持续回收技术仍然面临着严峻的挑战。

  北京理工大学材料学院吴锋院士团队多年来在电池回收利用与资源化再生方面做了大量的创新研究工作,近日在国际顶级期刊《Chemical Reviews》(影响因子54.301)上在线发表题为《Sustainable Recycling Technology for Li-Ion Batteries and Beyond: Challenges and Future Prospects》的综述论文,对可充电电池(锂离子电池及下一代电池新体系)的可持续性进行了系统全面的论述。

 

  

  图1 可充电电池失效机理(左)和锂离子电池回收工艺流程(右)

 

  作者从可持续发展的角度出发,从经济、环境、资源和政策多角度深入分析和评估了退役动力电池的主要来源——电动汽车与传统燃油汽车的市场竞争力,研究了可充电电池失效机理(探讨了正极、负极、电解液和隔膜的失效原因和作用机制)与电池回收技术(从传统的火法冶金、湿法冶金等回收技术创新提出材料修复再生技术、材料提取回收技术)的内在联系(见图1),从经济可行性、环境影响、技术以及安全性四个角度全面评估了电池的梯次利用、回收再生及可持续发展。

  基于强制性或指导性文件的法律、法规和政策,对美国、德国、日本及中国的电池回收管理模式进行分析,研究显示电池生命周期管理对于废旧电池溯源管理平台的建立和回收政策的制定等至关重要。从战略资源和经济需求的角度,对可充电电池的全生命周期评估进行详细分析,提出了3R策略(Redesign、Reuse、Recycle)和4H原则(High efficiency、High economic return、High environmental benefit、High safety)(见图2),指出可充电电池可持续性的未来新挑战和发展前景。

 

  

 

  图2 电池资源化再生的3R策略和4H原则

  北理工材料学院范二莎博士为第一作者、李丽教授为共同一作,陈人杰教授和吴锋院士为通讯作者。该文章及团队近两年有关电池资源化再生的主要研究工作如下:

  1. Chem. Rev., 2020, DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00535 (IF="54.301," 第一作者: 范二莎博士)

  2. Green Chem., 2019, DOI: DOI: 10.1039/c9gc01350d (IF= 9.405, 第一作者: 林娇博士)

  3. ACS Sustain. Chem. Eng. 2019, DOI: 10.1021/acssuschemeng.9b03054 (IF="6.970," 第一作者: 范二莎博士)

  4. Waste Manage., 2019, DOI: 10.1016/j.wasman.2019.01.012 (IF="5.431," 第一作者: 李丽教授)

  5. Chem. Soc. Rev., 2018, DOI: 10.1039/c8cs00297e (IF="40.443," 封面文章; 第一作者:张笑笑博士)

  6. ACS Sustain. Chem. Eng. 2018, DOI: 10.1021/acssuschemeng.8b02503 (IF="6.970," 第一作者: 范二莎博士)

  7. ACS Sustain. Chem. Eng. 2018, DOI: 10.1021/acssuschemeng.7b04373 (IF="6.970," 第一作者: 张笑笑博士)

  8. Electro. Ener. Rev., 2018, DOI: 10.1007/s41918-018-0012-1 (第一作者: 李丽教授)

  上述研究成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京高校卓越青年科学家计划和北京理工大学科研院创新人才支持计划等项目经费的支持。

 

  附作者简介:

  

 

  范二莎,1990年9月出生,现为北京理工大学材料科学与工程博士研究生,导师为李丽教授;研究方向为锂离子电池回收及资源化再利用,专注于新能源材料、材料再生、湿法冶金、资源化再利用等多学科交叉基础研究及应用研究的发展;作为研究骨干参与国家自然科学基金、国家重点研发计划等重大科研项目多项;以第一作者(或学生一作)在Chemical Reviews, ACS Sustainable Chemistry & Engineering等国内外期刊发表学术论文6篇,影响因子累计75,合作发表SCI论文10篇,多次参加国内学术会议并做学术报告或墙报交流。

 

  

 

  李丽,材料学院教授、博导,电动汽车动力蓄电池循环利用战略联盟技术专家委员会副主任、中国电机工程学会电力储能专业委员会委员、全国专业标准化技术委员会委员、中国工业节能与清洁生产协会电池回收与再利用分会专家委员会委员、中国再生资源产业技术创新战略联盟专家委员会委员等,入选教育部新世纪优秀人才、北京市优秀人才和北京市科技新星计划。主要从事退役新能源汽车和储能领域用动力电池绿色高效回收与资源化再生、绿色二次电池衰减机理与失效分析、新体系钾离子电池、先进能源材料设计与量化模拟等研究。承担了国家863计划、国家973计划、国家自然科学基金等课题。在国内外学术刊物发表SCI论文105篇;申请国家发明专利13项,其中9项授权;在国内外学术会议上做特邀/大会报告80余次,担任数届中美双边会议锂离子电池回收技术分会主席。

 

  

 

  陈人杰,材料学院教授、博导,国家部委专业组委员、中国材料研究学会理事(能源转换与存储材料分会秘书长)、中国固态离子学会理事、国际电化学能源科学学会(IAOEES)委员会委员、英国皇家化学学会会士。主要从事多电子高比能二次电池新体系及锂硫电池关键材料、新型离子液体及功能电解质材料、特种功能电源复合固态二次电池器件及薄膜材料、绿色二次电池资源化再生利用等研究。承担了国家自然科学基金委项目、科技部重点研发计划项目、北京市重大科技项目等课题。发表SCI论文200余篇(IF>10的60余篇);申请发明专利83项,获授权35项;软件著作权7项,学术专著2部。作为主要完成人,获得国家技术发明二等奖1项、部级科学技术一等奖3项。入选教育部新世纪优秀人才、北京市优秀人才、北京市科技新星、北京高等学校卓越青年科学家等计划,获评“中国工程前沿杰出青年学者”。

 

  

 

  吴锋,北京理工大学杰出教授、博导,中国工程院院士,国际欧亚科学院院士,亚太材料科学院院士,北京理工大学学术委员会副主任,北京理工大学求是书院院长,能源与环境材料学科首席教授,北京电动车辆协同创新中心清洁能源领域主任兼首席科学家。我国绿色二次电池与相关材料领域的学科带头人之一,长期从事新型二次电池与相关能源材料的研究开发。承担了国家重点基础研究(973)计划、国家高技术(863)计划、国家科技攻关计划、国家自然科学基金等项目;在 Chem. Rev. 、 Adv. Mater. 、 Nature Commun. 、 Nano Lett. 等著名学术期刊发表SCI收录论文480余篇,获发明专利授权90余项;作为第一完成人获国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖各一项,获部级科学技术和技术发明一等奖5项;先后获何梁何利基金科学与技术进步奖、国际电池材料学会(IBA)科研成就奖、美国电化学学会(ECS)电池技术成就奖、国际车用锂电池协会(IALB)杰出基础与应用研究奖、终身成就奖。兼任中国电池工业协会副理事长,中国化学与物理电源行业协会副理事长,中国电动汽车百人会理事会成员,国家工信部新能源汽车准入专家委员会委员;多次担任中美电动汽车与电池技术研讨会主席和动力锂电技术及产业发展国际论坛主席。