日前，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、王杰研究员团队基于摩擦纳米发电机的自驱动原理，构建出一套废旧锂电池回收系统。利用该系统可生成能直接利用的高纯度碳酸锂、磷酸铁。在多项前沿技术加持下，该系统以摩擦纳米发电机供电回收废旧锂电池，并将部分回收材料用于制造摩擦纳米发电机，构建了材料和能量的“双循环”。

“这是整合了‘新型高效电化学回收体系’‘摩擦纳米发电技术’和‘回收产物再利用技术’等前沿技术的自驱动磷酸铁锂回收系统。”王杰告诉《中国科学报》，“与传统回收技术相比，该回收系统在环保和经济效益方面优势明显。”

锂电池将迎来“退役潮”

当前，低碳发展的理念深入人心。新能源汽车、储能等产业得到长足发展，锂电池是主要动力或储能设备。锂电池平均使用寿命为6至8年，我们即将迎来大规模的锂电池“退役潮”。

据中国汽车工程学会预测，我国退役动力电池2023年将达到104万吨，到2030年将达350万吨。同时，动力电池所用的锂、钴、镍资源稀缺程度加剧，随着全球电动化战略转型的加速，资源短缺问题日益突出。

“如果不能正确、有效处理废弃锂电池，电解液、重金属、塑料等物质会给环境带来巨大压力。”王杰说，同时，废旧锂电池中有可观的锂、镍、钴、锰、铜、铝等金属元素，是宝贵的资源。不论从环境保护还是从资源利用的角度看，都需要回收利用废旧电池。

但锂电池回收问题重重。一是传统回收方式工艺复杂，高能耗、高排放，还会带来二次污染。二是回收所得产物纯度较低，多次提纯会抬高成本。

目前，主流新能源汽车采用三元聚合物锂电池(俗称三元锂电池)或磷酸铁锂电池。前者能量密度高、续航里程长，后者安全性能更好。其中三元锂电池因含有贵金属原材料，人们对其回收意愿较强，对该领域回收技术研究较多。而约占市场保有量六成的磷酸铁锂电池原料相对便宜，回收产物价值不高、回收工艺复杂，没有人愿意回收。因此，亟须开发一种简单、便捷、环保又高效的回收方式。

王中林、王杰团队开发的回收系统采用电化学法氧化食盐水，利用生成的次氯酸进行氧化还原，实现磷酸铁锂正极材料的回收。这能降低化学试剂的用量及种类，将湿法回收的10个步骤减少为4个，在简化工艺流程的同时节能环保、降低成本。

“按照现行工业标准，反应物磷碳酸锂和磷酸铁纯度达到99.5%就可以直接利用。”王杰说，“我们这种方法回收产物的纯度分别达99.70%和99.75%，可以省去高能耗、高排放的提纯步骤，能直接利用。”

“跑题”讨论引来“双循环”研究

“一个有意义的课题需要从社会需求出发，聚焦于解决生产生活中的瓶颈问题。”王杰说，“该项目立足自身优势，综合实验室在锂离子电池、摩擦纳米发电机、自驱动系统、自驱动电化学方面的积累，通过多项前沿技术叠加，最终获得突破并实用化。”

其研究思路的缘起，来自团队3年前一次头脑风暴时话题“跑偏”的讨论和此后将多项前沿技术叠加创新的尝试。

王中林带领团队长期从事摩擦纳米发电机相关研究。制造摩擦纳米发电机的材料广泛，为了降低成本，他们曾研究过用废旧回收材料制造摩擦纳米发电机。

“一开始，为了寻找替代材料，我们尝试过多种回收物品，比如用牛奶包装盒上的铝塑膜、可乐罐的铝材等作为摩擦纳米发电机的原料。”王杰说。

在一次头脑风暴中，团队成员张宝峰提出废旧锂电池中有很多可回收金属和有机薄膜，能用作摩擦纳米发电机原料。接下来的讨论就有点“跑偏”，大家七嘴八舌一阵讨论后，形成的共识竟是——锂电池回收可能会成为一个有很大需求的领域。

王杰曾进行过能源存储技术研究，后来到北京纳米能源与系统研究所跟随王中林研究摩擦纳米发电机，并利用纳米发电机收集环境能量给各种移动传感器、可穿戴设备供电。但环境能量总会遇到不稳定因素，需要用锂电池进行储能“缓冲”。该团队中专门研究锂电池的博士和博士后对锂电池的深入了解，让他们相信自己的判断。此后对回收锂电池行业的调研也证实了上述想法。

进一步的分析中，团队认为电化学回收是一个不错的回收方式，但缺点是耗电量较大。

“我们就是搞发电的，所以当时就想把电池技术、摩擦纳米发电技术和电化学回收技术叠加起来，看能不能找出结合点，把这套回收系统做出来。”王杰说。

技术沉淀和拓展

团队成员具有化学、材料、物理、电子、机械等多学科背景。

一开始，团队分析认为，构建这个“双循环”的基础是电化学回收过程中正极材料的选择。因为反应过程要氧化还原磷酸铁锂。电场虽然是非常好的“还原剂”，但磷酸铁锂不溶于水，直接电化学反应无从谈起。

“我们和电场打交道很多，对电化学比较了解，坚信没有电场氧化/还原不了的东西。如果不能直接氧化还原，就需要找到一个‘中间体’。”王杰解释说，“如果能找到一种溶剂作为‘中间体’，形成另外一种液态氧化剂，再去氧化还原磷酸铁锂，就能让反应顺利进行。”

经过数月的筛选和实验，团队发现次氯酸可以达到上述要求，而次氯酸又可以通过氯化钠溶液在电场中产生。磷酸铁锂粉末被次氯酸包覆，然后进行反应。但次氯酸没有颜色，无法直观判断，研究人员又去寻找指示剂。经过一番实验调试，他们最终将碘化钾溶液作为指示剂，完美解决了这一问题。

反应能进行下去了，团队又发现了新问题。为了实现尽可能多地回收磷酸铁锂，实验中要有足够多的电量。但团队以前的研究专注于“单位面积的输出”，为满足电化学反应需要，他们重新研制了一台直径约30厘米的旋转式摩擦纳米发电机，并通过优化输出和降压增流措施，满足了实验需要。

在此基础上，团队通过技术沉淀和拓展，将相关技术应用在三元锂电池回收上。目前，该团队已经在实验室完成了废旧三元锂电池的回收。

“目前，该项技术还处于起步阶段，有很多地方需要进一步完善。我们的目标是进一步做深、做细电化学回收，将其拓展成通用技术，用这种模式回收其他锂电池。”王杰补充说，“我们计划完成更多锂电池材料，包括封装材料、电解液等的回收利用。这样，锂电池用完后就能完全无害地回收利用。”这对ups电源暨新能源储能行业的储能锂电池回收利用提供了又一新的渠道方法。