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科研動态
汪的華/尹華意團隊發展能源金屬清潔提取和回收新路徑
發布時間:2024-02-23 16:47:30     發布者:徐鵬     浏覽次數:

新能源(太陽能、風能等)具有間歇性,因此高比能二次電池是支撐新能源利用的關鍵器件。近年來锂電池、鈉電池、新型鉛酸電池等二次電池已經在電動汽車、移動電源、大規模儲能領域的應用快速增長,導緻了能源金屬的需求量快速增長,對資源和環境産生了兩方面挑戰:1如何在源頭上清潔高效提取能源金屬, 2如何在尾端對退役電池中的能源金屬實現利用。在此背景下,新能源産業鍊中能源金屬(主要指活潑金屬锂、鈉、鉀、鎂、鈣)的閉環發展十分迫切。

針對利用傳統方法提取能源金屬過程中存在氯氣消納和環保問題或者碳排放過高等問題,汪的華/尹華意團隊近期提出了電解-置換-蒸餾法,即EDD法(electrolysis-displacement-distillation approach)。如圖1a所示,該技術利用惰性析氧陽極和液态金屬陰極(錫,Sn),以蘇打(Na2CO3)為原料電解制備Na-Sn合金,再通過置換反應獲得M-Sn合金(M為锂、鎂、鈣、锶和鋇),最後利用真空蒸餾脫合金得到NaK)、M,金屬Sn可以循環利用。全生命周期分析表明,與工業主流技術相比,EDD法是一種高效、低能耗、低二氧化碳排放、無氯氣産生的清潔提取工藝,可從鹽湖、海水和工業廢水中大規模且可持續地提取能源金屬。相關工作發表在Journal of Magnesium and Alloyshttps://doi.org/10.1016/j.jma.2024.01.028,電解制備鈉和鎂、電解質設計、惰性陽極開發、生命周期評價)、Metallurgical And Materials Transactions BDOI: 10.1007/s11663-023-02945-8,電解制備金屬鉀),Journal of Electroanalytical ChemistryDOI: 10.1016/j.jelechem.2023.117669,活潑金屬在液态陰極的擴散動力學),和Green ChemistryDOI: 10.1039/d3gc03349j,電解制備鈣、锶、鋇金屬),博士生郭磊為第一作者,尹華意、汪的華教授為共同通訊作者。此外,團隊與超威集團合作,自主研發了萬安級電解槽(圖1b),可單次電解生産噸級液态合金,為能源金屬清潔提取的進一步工業化生産提供了支撐。

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1 a. 一種新型的能源金屬提取技術:電解-置換-蒸餾法(EDD法)示意圖;b.團隊自主研發的萬安級電解槽。

此外,針對能源金屬循環利用存在流程長、能耗高、二次污染排放大的問題,團隊近期提出了生物質輔助還原、對稱電解共回收、低溫鹽焙燒等退役锂電池回收工藝。如圖2所示,研究團隊使用生物質熱解氣作為還原劑破環了锂過渡金屬氧化物的化學鍵,以此實現退役锂電池中能源金屬(锂、钴等)高效提取以及合成氣生産,并解釋了熱解氣組成和還原性的相互關系,相關工作發表在Environmental Science & TechnologyDOI: 10.1021/acs.est.3c07279),碩士生周風銀為第一作者,尹華意為通訊作者。對稱電解工藝通過在硫酸溶液中電解協同回收退役锂電池中的LiCoO2LiFePO4正極材料,該工藝最大限度地提高能源效率,并減少化學品的使用與二次污染(Green ChemistryDOI: 10.1039/d3gc03322h),博士生趙晶晶為第一作者;鹽焙燒工藝通過在密封反應器中的乙醇-水蒸氣熱還原方法,能夠高選擇性地從廢棄锂離子電池中回收锂和過渡金屬氧化物(Journal of Cleaner ProductionDOI: 10.1016/j.jclepro.2023.140428),而硫酸铵鹽焙燒工藝則在低溫下快速從LiFePO4正極材料中提取Li并回收FePO4 Chemical Engineering JournalDOI: 10.1016/j.cej.2024.148608),博士生曲鑫為第一作者。

  圖2. 生物質熱解氣還原回收廢棄锂電池與合成氣生産示意圖


以上工作得到了國家自然科學基金項目(No.5187421152031008U22B2071)、中央高校基本科研業務費專項資金(No.2042023kf0214)、88858cc永利官网-超威新能源材料聯合實驗室經費的資助。



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