電動汽車發(fā)展與電池回收困境

現(xiàn)在咱這電動汽車，在全世界那叫一個風(fēng)生水起 —— 賣得飛起不說，在市場里占的份額也一天比一天大。

但這話反過來講啊，未來指定會有堆成山的電動汽車電池，最后變成沒人待見的電子垃圾。

雖說大伙兒沒少琢磨怎么改進(jìn)電池回收的法子，可到最后，不少電池還是逃不過被埋進(jìn)土里的命。

電池主要有三部分：帶正電的正極、帶負(fù)電的負(fù)極，還有中間傳輸鋰離子的電解質(zhì)。大多數(shù)鋰離子電池里的電解質(zhì)特別容易燒著，時間長了還會變成有毒的東西。

所以處理這種電解質(zhì)可得打起十二分精神，一點(diǎn)都馬虎不得。

回收電池的時候也麻煩，一般得用上那些聞著有點(diǎn)嗆人的化學(xué)藥水，還得靠高溫烘烘烤烤，再加上一堆繞來繞去的復(fù)雜步驟才能弄。

MIT 團(tuán)隊(duì)的新型自組裝電池材料方案

最近啊，MIT 的蔣業(yè)明和 Julia Ortony 團(tuán)隊(duì)，想靠一種新的自組裝電池材料解決這個回收難的事兒。這材料往一種簡單的有機(jī)液體里一泡，就能飛快分解開。

他們還在《Nature Chemistry》上發(fā)了篇新論文，里面說這材料能當(dāng)電解質(zhì)用在正常干活的固態(tài)電池里，而且?guī)追昼娋湍茏兓刈铋_始的分子樣兒。

這種法子好就好在，不用把電池砸得稀碎、變成難回收的一堆玩意兒，算是個挺不錯的替代辦法。

要知道電解質(zhì)本來就是電池的 “連接紐帶”，等這新材料變回原來的分子樣，整個電池自己就散架了，這么一來，電池回收的速度就能快不少。

以前電池行業(yè)一門心思搞高性能的材料和設(shè)計，等東西做出來了，才琢磨怎么回收?？赡切┳龊玫碾姵亟Y(jié)構(gòu)又復(fù)雜，回收起來老費(fèi)勁了。

但這個團(tuán)隊(duì)的思路不一樣，他們先從好回收的材料下手，再研究怎么讓這材料跟電池合得來 —— 打一開始就設(shè)計能回收的電池，這可是以前從沒見過的新路子。

可回收電解質(zhì)的設(shè)計靈感與分子改造

團(tuán)隊(duì)里有個 2023 屆博士生叫 Yukio Cho，他小時候看《哈利?波特》電影有個場景記很深。那個場景里，鄧布利多教授揮揮手腕念咒語，就能把破房子清理干凈。

后來他聽了 Julia Ortony 的演講，演講講的是設(shè)計分子讓它們能組裝成復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

而且這些分子組裝后還能變回原始形態(tài)，聽完演講他就琢磨怎么像魔法一樣回收電池。

想讓電池回收的步驟更簡單點(diǎn)，研究人員就琢磨著搞出一種更環(huán)保的電解質(zhì)。

他們專門研究了一類叫芳綸兩親體（AAs）的分子，這玩意兒在水里不用人幫忙，自己就能湊一塊兒組裝好。

而且這芳綸兩親體的化學(xué)結(jié)構(gòu)和耐造程度，跟凱夫拉差不離 —— 凱夫拉可是咱們平時常用的那種特別結(jié)實(shí)的材料。

研究人員對芳綸兩親體做了修改，給它加了聚乙二醇（PEG）片段。

加了這個片段后，材料就能實(shí)現(xiàn)鋰離子的傳輸了。把修改后的分子放到水里，會自組裝成納米帶，這種納米帶機(jī)械穩(wěn)定，表面還能導(dǎo)電。

新型材料的組成與工作機(jī)制

Yukio Cho 曾解釋過這種材料的組成，一部分是柔性的鏈。這條柔性鏈能提供讓鋰離子跳躍的載體，方便鋰離子移動。

另一部分是強(qiáng)有機(jī)材料成分，凱夫拉爾纖維里就用這種成分。凱夫拉爾纖維是做防彈材料的，強(qiáng)度很高，這兩部分讓材料整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

往水里加這種分子，會有幾百萬條納米帶自己組裝出來。這些納米帶組裝好后，會變成凝膠狀的材料，還能壓成柔性的固態(tài)電解質(zhì)。

電池工作的時候，這種材料能支持鋰離子在電極之間流動，保證電池正常用?？梢前阉诺接袡C(jī)溶劑里，納米帶結(jié)構(gòu)就會很快分解。

這樣一來，電池就能輕松拆開，不用再用復(fù)雜工藝拆解了。

新型材料的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能表現(xiàn)

團(tuán)隊(duì)還測試了這種材料的強(qiáng)度和韌性，想看看它能不能滿足電池需求。

測試結(jié)果顯示，它能承受住制造和運(yùn)行電池時產(chǎn)生的壓力，符合要求。

他們還做了一個能正常使用的固態(tài)電池，陰極用的是磷酸鐵鋰。陽極用的是鋰鈦氧化物，這兩種材料現(xiàn)在已經(jīng)用在商業(yè)電池里了。

測試后發(fā)現(xiàn)，基于聚乙二醇的納米帶，確實(shí)能在電解質(zhì)里成功傳輸鋰離子。

不過測試也發(fā)現(xiàn)了問題，因?yàn)闃O化作用，離子進(jìn)入電極的速度比理想情況慢。

這種情況會限制電池性能，比如快速充電或放電時，表現(xiàn)就沒那么好。

Yukio Cho 說過，鋰離子能沿著納米纖維移動，但從納米纖維轉(zhuǎn)移到金屬氧化物這步最慢。

但作為概念驗(yàn)證，研究人員對電池能達(dá)到的性能還是滿意的。

在他們看來，再做更多實(shí)驗(yàn)，這種材料的性能還有很大優(yōu)化空間。

未來應(yīng)用探索與鋰資源回收價值

現(xiàn)在研究人員正在探索怎么把這類材料整合到現(xiàn)有電池設(shè)計里。

同時，他們也在把這些想法應(yīng)用到新的電池化學(xué)研究中，拓展使用范圍。

他們知道，說服現(xiàn)有的供應(yīng)商用完全不同的方式做事很有挑戰(zhàn)性。

但對于未來五到十年可能出現(xiàn)的新電池材料，從一開始就整合這種設(shè)計會更容易。

話說 Yukio Cho 提過，鋰離子能順著納米纖維走，但從納米纖維挪到金屬氧化物這一步，速度是最慢的。

不過先不管這個，至少現(xiàn)在能證明這法子能行，研究人員對電池眼下的性能還挺滿意。

在他們看來，之后再多做些實(shí)驗(yàn)，這種材料的性能還能再往上提不少。

現(xiàn)在研究人員正琢磨著呢，怎么把這類材料塞到現(xiàn)在的電池設(shè)計里去。

同時，他們也在把這些想法用在新的電池化學(xué)研究里，想讓這材料能用在更多地方。

他們也清楚，想讓現(xiàn)在的供應(yīng)商換套完全不一樣的法子干活，可不是件容易事兒。

但要是面對未來五到十年可能冒出來的新電池材料，從一開始就把這設(shè)計融進(jìn)去，那可就簡單多了。

Yukio Cho 還覺得，用這法子能把美國現(xiàn)有的電池材料再利用起來，幫著讓鋰資源重新回到美國。

結(jié)語

現(xiàn)在啊，越來越多人都明白這事兒多關(guān)鍵了。

要是能大規(guī)?；厥针姵貜U料里的鋰離子電池，那效果跟在美國開個鋰礦差不多。

而且每個電池都得用一定量的鋰，眼看著電動汽車越來越多，鋰肯定得重復(fù)用才行。

只有這樣，才能不讓鋰的價格漲得太離譜，也能讓電池生產(chǎn)的成本穩(wěn)住。