電動(dòng)汽車在全球范圍內(nèi)正蓬勃發(fā)展，銷量和市場(chǎng)滲透率持續(xù)攀升。這也意味著未來(lái)將產(chǎn)生堆積如山的電子垃圾。盡管人們正在作出諸多努力來(lái)改進(jìn)電池回收，但許多電動(dòng)汽車電池最終仍難逃被填埋的命運(yùn)。

電池包括三個(gè)主要部分：帶正電的正極、帶負(fù)電的負(fù)極以及在它們之間傳輸鋰離子的電解質(zhì)。大多數(shù)鋰離子電池中的電解質(zhì)是高度易燃的，并會(huì)隨著時(shí)間的推移降解成有毒的副產(chǎn)品，需要特殊處理。因此，回收電池一般都需要刺激性化學(xué)品、高溫和復(fù)雜的工藝。

近日，麻省理工學(xué)院蔣業(yè)明（Yet-Ming Chiang）和 Julia Ortony 團(tuán)隊(duì)希望借助一種新型自組裝電池材料來(lái)改變這一現(xiàn)狀，這種材料在浸入一種簡(jiǎn)單的有機(jī)液體后能夠迅速分解。在Nature Chemistry期刊新發(fā)表的一篇論文中，研究人員展示了這種材料可以作為電解質(zhì)用于正常工作的固態(tài)電池，并在幾分鐘內(nèi)恢復(fù)到其最初的分子狀態(tài)。

這種方法為將電池粉碎成難以回收的混合物質(zhì)提供了替代方案。由于電解質(zhì)是電池的連接層，當(dāng)新材料恢復(fù)到原來(lái)的分子形式時(shí)，整個(gè)電池會(huì)自行分解，從而加速回收過(guò)程。

“迄今為止，在電池行業(yè)，我們一直專注于高性能的材料和設(shè)計(jì)，之后才試圖弄清楚如何回收那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以回收的電池?！闭撐牡牡谝蛔髡摺?023 屆博士生 Yukio Cho 說(shuō)，“我們的方法是從易于回收的材料開(kāi)始，然后研究如何使它們與電池兼容。從一開(kāi)始就設(shè)計(jì)可回收的電池是一種新方法。”

設(shè)計(jì)可回收的電解質(zhì)

在《哈利·波特》系列電影中，有一個(gè)場(chǎng)景是鄧布利多教授只需揮動(dòng)手腕念個(gè)咒語(yǔ)就能清理破敗的房屋。這個(gè)畫面在 Yukio Cho 小時(shí)候就深深印在了他的腦海里。

在參加 Julia Ortony 關(guān)于設(shè)計(jì)分子使其能夠組裝成復(fù)雜結(jié)構(gòu)然后恢復(fù)到原始形態(tài)的演講后，他開(kāi)始思考是否也可以魔法般地回收電池。

為了簡(jiǎn)化回收過(guò)程，研究人員決定制造一種更可持續(xù)的電解質(zhì)。為此，他們研究了一類在水中自組裝的分子的分子，名為芳綸兩親體（AAs），其化學(xué)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性與凱夫拉相似。研究人員對(duì) AAs 進(jìn)行了修飾，使其包含聚乙二醇（PEG）片段，從而實(shí)現(xiàn)鋰離子的傳輸。當(dāng)暴露于水中時(shí)，產(chǎn)生的分子會(huì)自組裝成具有離子導(dǎo)電PEG表面的機(jī)械穩(wěn)定的納米帶。

“這種材料由兩部分組成，”Cho解釋說(shuō)。“第一部分是這種柔性的鏈，它提供了鋰離子跳躍的載體。第二部分是這種在凱夫拉爾纖維中使用的強(qiáng)有機(jī)材料成分，它是一種防彈材料。這兩部分使得整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定?！?/p>

當(dāng)加入水中時(shí)，納米帶會(huì)自組裝形成數(shù)百萬(wàn)條納米帶。這些納米帶組裝后會(huì)形成凝膠狀材料，可以壓制成柔性固態(tài)電解質(zhì)。在電池工作過(guò)程中，這種材料支持鋰離子在電池電極之間流動(dòng)。然而，當(dāng)置于有機(jī)溶劑中時(shí)，納米帶結(jié)構(gòu)會(huì)迅速分解，從而可以輕松拆卸電池。

驗(yàn)證新方法

該團(tuán)隊(duì)測(cè)試了這種材料的強(qiáng)度和韌性，發(fā)現(xiàn)它能夠承受制造和運(yùn)行電池相關(guān)的壓力。他們還構(gòu)建了一種功能性固態(tài)電池，以磷酸鐵鋰為陰極，鋰鈦氧化物為陽(yáng)極——這兩種材料已用于商業(yè)電池。他們發(fā)現(xiàn)，基于聚乙二醇（PEG）的納米帶可以成功地在電解質(zhì)中傳輸鋰離子。

然而，測(cè)試表明，由于極化作用，離子進(jìn)入電極的速度比理想速度慢。這種效應(yīng)限制了電池在快速充電或放電期間的性能。

“鋰離子確實(shí)可以沿著納米纖維移動(dòng)，但將鋰離子從納米纖維轉(zhuǎn)移到金屬氧化物似乎是整個(gè)過(guò)程中最緩慢的環(huán)節(jié)，”Cho 說(shuō)。 然而，作為概念驗(yàn)證，研究人員對(duì)他們的電池所能達(dá)到的性能感到滿意。

在他看來(lái)，通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，這種材料的性能還有很大的優(yōu)化空間。

目前，研究人員正在探索將這類材料整合到現(xiàn)有電池設(shè)計(jì)中的方法，同時(shí)也將這些想法應(yīng)用到新的電池化學(xué)中。

“說(shuō)服現(xiàn)有的供應(yīng)商以非常不同的方式做事是非常具有挑戰(zhàn)性的。但對(duì)于未來(lái)五到十年可能出現(xiàn)的新電池材料，一開(kāi)始就將其整合到新設(shè)計(jì)中可能會(huì)更容易。”

Cho 還認(rèn)為，這種方法可以通過(guò)重復(fù)使用美國(guó)現(xiàn)有電池中的材料，幫助將鋰供應(yīng)回流到美國(guó)?！叭藗冮_(kāi)始意識(shí)到這有多重要。如果我們能夠開(kāi)始大規(guī)模回收電池廢料中的鋰離子電池，其效果將與在美國(guó)開(kāi)設(shè)鋰礦相同。此外，每個(gè)電池都需要一定量的鋰，因此推斷出電動(dòng)汽車的增長(zhǎng)，我們需要重復(fù)使用這種材料，以避免鋰價(jià)格大幅飆升?！?/p>

1.https://news.mit.edu/2025/new-self-assembling-material-could-be-key-recyclable-ev-batteries-0828