鋰離子電池為從電動車到電網儲能的各種應用提供動力。幾乎所有的電動車(EV)均採用鋰離子電池。然而,這些電池所需的關鍵礦物質,如鋰、鎳、鈷、錳和石墨,仍然稀缺且大多數在海外加工。
為了解決供應鏈瓶頸,國家可再生能源實驗室(NREL)的研究人員正在測試一種高解析度的X射線納米計算機斷層掃描(nano-CT)系統,該系統能夠深入研究耗盡的電池單元,發現隱藏的缺陷,並指導新一代“直接回收”技術,旨在翻新而非重建陰極。
該實驗室級掃描儀安裝於NREL位於科羅拉多州金色市的校園內,能解析至50納米的特徵,這一細節通常只有在大型同步輻射設施中才能實現。由於該方法是非破壞性的,科學家們可以實時觀察單個電池的老化過程,將結構變化與性能損失相關聯,並保留完整的材料以進行後續測試。
高級能源儲存科學家Donal Finegan表示,快速反饋循環暴露了“存在於壽命終結電池材料中的特定退化類型”,使團隊能夠將每種損壞模式與適當的回收路徑對應起來。
早期掃描推翻了廣泛持有的假設。即使老化的陰極幾乎保留了與全新材料相同的能量容量,但其接受快速充電的能力卻大幅下降。納米CT切片揭示了原因:重複的循環使陰極層內的富鎳顆粒破裂,形成了一個微裂縫網絡,阻礙了鋰離子自由流動。
使用NREL的微結構分析工具箱,博士研究生Melissa Popeil及其同事在美國能源部的車輛技術辦公室計劃下,對經過現實工作循環的商業電池進行了裂縫的映射。結果是電池在工作壽命中累積裂縫的最量化圖像。
隨著故障模式的確定,項目現在轉向修復。團隊正在實驗較溫和的機械處理方法,這些方法可以將破裂的顆粒重新融合或僅替換受損部分,而不是將用過的電極溶解為基本化學物質,這是傳統回收中一個成本高昂且耗能的步驟。成功將縮短處理時間,並保留現代陰極的高能量密度所需的精細晶體結構。這還將使更多有價值的金屬留在美國,並延長其可用壽命,減少對中國目前處理60%至90%全球鋰、鎳和鈷精煉的依賴。
研究人員計劃將研究擴展到其他進入廢棄物流的化學品,精煉直接回收配方,以便每種電池類型在離開工廠時都能擁有內建的第二生命。就在本週(2025年6月),加州大學洛杉磯分校的研究人員還展示了一種新的成像方法,稱為電化學冷凍電子顯微鏡,該方法提供了指導更好鋰金屬電池設計的見解。而在2025年4月,清華大學的研究人員利用先進的X射線計算機斷層掃描解鎖了電極微結構與電解質濕潤之間的複雜關係。
他們認為,先進的特徵化是任何高效回收策略的基礎:如果沒有對納米級缺陷的清晰視野,回收商無法決定何時翻新、重新處理或丟棄。通過將同步輻射水平的視覺帶入標準實驗室,NREL的nano-CT平台可能將這一決策從猜測轉變為基於證據的工程,並在此過程中幫助關閉能源轉型中一些最珍貴資源的循環。
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