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霍克锂电池采用外短路法实现锂离子电池完全放电与储存以促进电池回收

电池的拆解%% 在其回收过程中需要采用适当且安全的方法进行完全放电及后续存储。本研究采用外部短路法实现这一目标。首先使用电池循环仪将废旧锂离子%% 电池放电至0V,以确保工艺稳定性并防止性能退化阴极材料随后使用电阻器施加外部短路条件。通过选取不同阻值电阻(1.5Ω、10Ω和47Ω)以确定可触发外部短路的最佳电阻值,基于对电池电压下降曲线与电阻器温升变化的分析,最终确定10Ω电阻为最优选择。针对1.3V、2.0V、2.5V及2.8V四种设定电压,系统考察了外部短路的起始电压特性。研究发现,当电压低于2.0V时启动外部短路最为适宜。阴极材料在外短路状态下保持一个月后,采用扫描电子显微镜、电感耦合等离子体光谱仪、X射线衍射仪和X射线光电子能谱仪进行分析分析结果证实,外部短路未对阴极材料造成损伤。此外,为验证该方法的适用性,我们对由十个串联电芯组成的模组进行了测试。当总电压达到2V时,执行外部短路操作,电压随即稳定下降并持续保持为0V,整个过程未出现任何异常。photoelectron spectroscopy. The analysis results confirmed that the external short circuit did not damage the cathode material. Furthermore, a module assembled with ten cells in series was tested to demonstrate the applicability of this method. When the total voltage reached 2 V, an external short circuit was executed, resulting in a steady decrease in the voltage that was maintained at 0 V without any issues.

图文摘要

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引言

与内燃机车辆相比,电动汽车(EVs)是减少碳排放的卓越手段。锂离子电池(LIBs)因其高能量密度、长循环寿命和低自放电能力而成为电动汽车的主要动力源[1]。2020年全球电动汽车销量达300万辆,预计到2030年将增长至2800万辆,2040年达到5600万辆[2]。典型电动汽车的使用寿命预计为8至20年,这表明未来数年将产生大量废旧锂离子电池[3,4]。因此,从资源循环的角度来看,电池回收正日益受到关注。其中阴极材料尤为珍贵,因其含有大量过渡金属[5,6]。
电池回收流程的第一步是对电池进行完全放电以确保安全拆解。该放电过程必须采用能够避免剧烈化学反应和严重不可逆损伤的方式进行。通常情况下,完全放电意味着将电池电压降至−0.4至−2.0 V的负值范围[[7], [8], [9]]。通过将电池放电至120%–200%的放电深度(DOD)范围,即可实现此类负电压。该工艺的优势在于通过防止短暂放电后静置期的电压恢复来节省时间。然而,其缺点在于可能导致铜污染及正极材料的结构劣化[10,11]。铜源于阳极集流体的溶解,可通过浸出剂处理黑粉以去除溶解的铜杂质来解决污染问题[12]。即使采用直接回收技术获取正极材料,若铜污染阴极表面,仍需要进行浸出处理[13]。因此,铜的存在必然导致额外的处理工序。另一种实现完全放电的方法是将电压维持在0V至少24小时[14]。该工艺既可避免铜污染,又能保持阴极结构完整性。此外,静置期间电压不会回升至1V以上。但从时间与成本效益角度考量,此方法的效率较低。
为克服现有电池放电与存储方面的若干缺陷,本文提出一种实现高质量正极材料回收、更短放电时间及完全放电的方法。该工艺无需任何装备即可实现完全放电状态下的长期存储,其关键在于采用电阻器诱导外部短路。由于短时间内会有大电流流经电路,外部短路通常具有危险性。在此过程中,电池可能遭受严重损伤,包括结构劣化或电解液泄漏[15,16]。此外,由于焦耳热效应,电池温度会急剧上升。受热汽化的电解液导致电池膨胀,当释放可燃性气体时即引发爆炸。此类失效通常发生在外部短路初始荷电状态(SOC)处于10%至100%区间时[[17], [18], [19]]。为确保完全放电过程的安全执行与维持,实施外部短路时必须使SOC低于0%。因此,本研究将外部短路法与Lee等[14]提出的方法相结合。我们的基础实验方案为:先使用电池循环仪将电池放电至0 V,再施加外部短路法。在荷电状态(SOC)为0%时,电压降至0 V所需时间不超过1小时,故电池循环仪的使用时长控制在1小时以内。随后采用电阻器诱发外部短路。与既往放电方法(如恒流放电法)相比,该方法显著提升了装备利用率。放电至120%–200%的放电深度(DOD)范围或维持0V电压超过24小时)。我们旨在通过以下目标评估外部短路法的可行性与效率:(a) 确定最优电阻并理解其行为特征,(b) 确定实施外部短路的合适电压值,(c) 验证长期保持外部短路的存储可能性,(d) 检验该方法在模组和电池包单元中的适用性。完全放电法有望降低正极材料的污染与降解程度。此外,该方法可减少对电池循环测试仪的依赖,从而提升电池回收过程的效率。