一次又一次地出生。两位工程师和他们的学生研究如何转世 锂离子电池。
几乎所有锂离子电池都只用一次就耗尽。那些为我们的手机供电的 可以充电数百次，当它们失效时，我们可以回收它们（或者，许多 次，将它们扔进垃圾桶）。
电动汽车 (EV) 中的大电池并非如此。 “他们可以有两种生活” 卢西亚·高奇亚 (Lucia Gauchia) 助理教授机械工程以及电气和计算机工程。 “我们的车辆具有首次生命周期，但只能持续到电池电量还剩 20% 时 死了。”
80% 的存活率对于电动汽车来说还不够好，但对于储存电力来说已经足够了 作为家庭光伏系统或电网的一部分。但它到底有多好呢？ 就像购买二手车有点神秘一样，很难知道你是什么 当您重新利用旧的锂离子电池时就会得到。
“由于电池老化的方式，很难理解它的第一次寿命是如何 将影响它的第二次生命，”Gauchia 说。 “损坏程度如何？客户如何处理？” 知道这是一种优质、安全的产品吗？”
仅仅努力是不够的
当然，您可以检查电动汽车电池的寿命和里程，但这些只是近似值 措施。 “衰老取决于你如何使用它，”她说。 “这取决于很多不同的 变量，例如驾驶员行为、温度和驾驶条件。”换句话说， 不保养的电池不会像那些慢慢回来的电池那么耐用 并前往杂货店。
虽然工程师可以轻松地评估桥梁、电池的状况 是另一回事。 “有趣的是，工程界的人不习惯我们的 系统老化得如此之快，”Gauchia 解释道。 “电池的老化行为很多 比其他系统更具戏剧性。”
电池与鱼有何相似之处？
几年前，当 Gauchia 试图设计一项研究来预测电池如何 随着年龄的增长，她意识到她需要停止只考虑电池本身 并开始观察它的环境。她需要的是研究电池的方式 科学家研究生物。像鱼一样。
鱼类生物学家预测它们是否能在惊人的多样性下生存和繁衍 条件：不同的水温、污染物水平、食物供应情况、 捕食者和竞争者的数量、氧气浓度等。了解科学家如何 她推断，研究鱼类，阅读渔业期刊。
“就在那时，我发现很多研究都使用贝叶斯统计数据，”她说。 “我 说，‘也许我应该转向贝叶斯。’那是一个恍然大悟的时刻。”
真相、全部真相和贝叶斯统计
贝叶斯统计包含概率，是权衡概率的标准工具 多种环境变量的影响。 Gauchia 从生态学中汲取灵感 贝叶斯模型，除了尝试决定是否在湖中放养白眼鱼之外， 她的目标是预测电池的第一次和第二次使用寿命有多长。
实验从去年秋天开始，Gauchia 和她的学生编写了大量代码 创建电池两次寿命的计算机模型，包括以下条件 它可能会面临以及这些情况发生的概率。
“然后每天，我都会对这些概率进行采样，以决定电池会做什么 一天，我将该配置文件下载到我的测试系统中，”大约 100 个电池组成的阵列 电池，全部连接起来，按照计算机的指示充电和放电。
该模型复制了电池从第一次使用开始一年中任何一天的运行情况 驾驶条件满足其第二次生命的要求，当时房主会这样做 洗衣服，打开电暖器，打开空调，也许 将多余的电力卖回给电力公司。是的，她承认，确实如此 复杂。
该研究由以下机构资助美国国家科学基金会 (NSF) 教师早期职业发展 (CAREER) 奖还包括教育部分：专门为学生提供的实验室， 将补充她的研究实验室正在进行的工作。此外，Gauchia 是土生土长的 西班牙的，已向大急流城社区的学生（尤其是拉丁裔女性）伸出援手 学院鼓励他们参与学习并获得研究经验。
Gauchia 将利用她的结果来微调团队的原始模型。 “当我们在 完成后，我希望提出新的电池管理算法来改进 对它们的使用进行预测，”Gauchia 说。 “我们想弄清楚如何给他们更长的时间 生命，首先是在电动汽车中，然后是它们的第二次生命，然后才必须被回收。”
超越来世
当电池永久耗尽时，回收是最可持续的选择。但同时 几乎所有老式汽车电池都被回收利用，但它们的情况却并非如此 锂离子同类产品。
“美国没有回收锂离子电池的工厂，”说潘雷，助理教授化学工程。这是因为没有经济上可行的回收计划和联邦法律 不强制要求回收废旧锂离子电池。结果，人们通常 只需将它们扔进垃圾箱即可。尽管如此，锂离子电池可以高度 垃圾填埋场存在问题。它们含有微量的有毒化学物质，除非 它们已完全放电，电池有令人担忧的着火和爆炸倾向 向上。
旧物换新物
回收锂离子电池的主要障碍是两种传统的 潘说，回收技术非常昂贵。在火法冶金中，最有价值的 将铜和钴材料熔化并转化为合金，然后进行加工 制造新电池的原材料。第二种工艺称为湿法冶金， 使用酸将金属浸入溶液中并将其转化为盐，必须对其进行处理 在成为新电池的原料之前转化为新材料。
“这些过程将您想要的材料转换成其他东西，然后再转换回 你想要什么，”潘说。 “这是浪费能源。”联邦机构正在询问 研究界尝试不同的方法：分离电池中的材料 而不改变他们的化学反应。如果这很容易的话，早就有人做到了。
“挑战很多，”潘说。 “你必须确保电池组件 在回收过程中保持完整。你必须将每个组件分开——在那里 有很多成分，并确保每种成分的纯度达到 95% 或更高。” 最后，您需要一个商业基础设施才能使这一切发挥作用。正如潘指出的那样，“有人 必须实际使用它，”并且需要有跟踪记录。
虽然潘是化学工程系的，但他的研究生学位是在 采矿工程。他想用同样的技术来分离有价值的矿物 从矿石中提取可用于分离 21 世纪的电池组件。于是，他集合了 一组学生，为他们提供了基本矿物加工方法的速成课程， 然后把它们放在实验室里。
第 1 步：找到电池
工作人员需要找到一堆废锂离子电池。他们 找到了几个愿意捐助的人，包括足球比赛结果的信息技术办公室， 马凯特县固体废物管理局，以及各种旧垃圾的所有者 笔记本电脑和消费电子产品。然后，团队将电池放电并打开 全部都是手工操作，去掉塑料外壳，得到了100多个电池。
第 2 步：分解一切
他们粉碎了电池的铜和铝导体，然后粉碎了阳极 和阴极灰尘，然后将整个混合物与水混合以形成浆料。他们的 接下来的挑战是分离出每个原始组件，尤其是 高价值阴极，通常包含钴和锂。
“我的思绪回到了最初，当时什么都不起作用，”团队成员说道 即将毕业的特雷文·佩恩。化学工程系学生扎卡里·奥尔登堡 提供了一个例子。 “我们尝试了各种溶剂来释放化学物质， 经过几个小时后，我们发现白开水效果最好。”
最终一切都走到了一起。 “你可以看到你的结果改善了实验 通过实验，”化学工程博士生詹睿廷说。 “这很漂亮 好。它会给你一种成就感。”
第 3 步：对材料进行排序
学生们开发了两种分离技术，旨在形成广告的核心 回收过程。为了取回铝和铜碎片，他们将浆液流过 一个屏幕。这给他们留下了粗碎金属的混合物。为了对它们进行排序， 团队利用古老的重力分离技术，依托典型行业 工具：振动台、摇床分离器和螺旋分离器。像矿工一样 淘金时，机器根据密度分离材料，将它们分类成接近纯净的状态 铜、铝、锂金属氧化物和石墨。
从阳极和阴极分离灰尘更加复杂。团队使用了 一种称为泡沫浮选的技术，它依赖于材料的不同亲和力 水。空气鼓泡通过含有颗粒的溶液，收集 那些在表面泡沫中具有疏水性的物质，可以将其撇去。 在这种情况下，来自阳极的石墨漂浮在泡沫中，而有价值的 正极材料沉到底部。
第 4 步：将它们再次放回一起
学生们能够回收大约 75-90% 的正极材料 并验证其纯度在95%以上。为了对其进行实际测试，他们 用隔离物制成了工作电池。结果令人欣喜。 “为了目的 在再制造方面，我们的再生材料与原始材料一样好，而且它们 更便宜，”奥尔登堡说。
他们还进行了经济分析，将他们的方法与标准火法冶金进行比较 和湿法冶金技术。底线：他们的工艺以更低的成本生产出更有价值的材料。 “我们工艺的最大优点是非常便宜且非常节能 高效，”潘说。
他们的工作引起了美国化学工程师学会 (AIChE) 的注意， 这为该团队赢得了 2018 年可持续科学技术青年委员会 P3 奖。他们受邀在 AIChE 上就其流程进行口头报告 去年秋天在匹兹堡举行的年会，AIChE 承担了他们的旅费。
下一步：概念验证
由足球比赛结果转化研究和商业化 (MTRAC) 资助 全州创新中心、环境保护局和创新队 在美国国家科学基金会 (NSF) 的资助下，潘正致力于制作一个小型电池回收装置 可以连续运行的工厂。它将首先压碎整个电池 并添加步骤来分离所有材料，包括塑料和钢外壳。 当它们被分类和清洁后，这些组件可以重新制成新电池 或回收用于其他用途。
“类似的过程已用于回收铅汽车电池约 一百年了，”潘说。据统计，超过 99% 的铅电池得到回收 根据国际电池委员会的报告，铅电池的平均成分超过 80% 是回收材料，从铅、塑料到硫酸。近乎完美的 回收率来自于对一个可储存 170 万吨的系统的行业投资 每年从垃圾填埋场排出的电池。
“我们正在将相同的模型应用于锂离子电池，”潘说。 “这个想法是 简单。这只是确保一切顺利的问题。”
他们希望使其在全国范围内发挥作用。潘是参与研究的研究人员之一 与新电池回收研发中心，一项由美国能源部资助、阿贡国家实验室牵头的倡议 实验室。从钴到锂，他们计划生产回收电池材料 像铅一样常见。
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