王杰研究员、王中林院士，Energy Environ. Sci.：基于摩擦纳米发电机的自驱动废旧磷酸铁锂电池回收系统

第一作者：张宝峰

通讯作者：王杰*

单位：中国科学院北京纳米能源与系统研究所

随着电气化时代的到来，新能源汽车规模化生产与使用不断提质加速，锂电池作为新能源汽车的“心脏”也迎来爆发式增长。虽然磷酸铁锂电池以其性能稳定、价格低廉等优势占据了锂电市场的半壁江山，但在回收利用方面面临诸多挑战。首先，磷酸铁锂材料性能稳定，难于通过火法、湿法等方法回收。其次，传统回收方式的工艺复杂、能耗较高，所得产物的纯度较低。再次，磷酸铁锂中的贵金属含量较低，回收成本高但收益低。此外，传统回收方式侧重于回收金属含量及经济效益高的正极材料，对于附加值较低的负极材料、隔膜、电池壳等部件不能全面兼顾，易造成新的环境问题。因此，需要从磷酸铁锂电池回收的全局出发，开发一种简单便捷的回收方式实现回收产物的高值化，同时对于附加值低的部件进行有效利用，拓展其用途。

近日，来自中国科学院北京纳米能源与系统研究所的张宝峰博士后，王杰研究员，在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“Self-powered recycling of spent lithium iron phosphate batteries via triboelectric nanogenerator”的观点文章。该文章从磷酸铁锂电池回收的全局出发，系统展示了磷酸铁锂电池回收过程中各组分的回收及再利用：开发新型电化学回收体系，简化回收工艺，提高回收产物纯度。利用回收产物重新制备磷酸铁锂正极材料，并将其与废旧石墨负极重新组装全电池，实现正负极材料的循环利用。同时，借助摩擦纳米发电机材料来源广泛的特性，利用废旧的电池壳、隔膜、集流体等部件设计摩擦纳米发电机，实现了废旧锂电池中各物质组分的有效回收及拓展应用。最后，利用摩擦纳米发电机收集环境中的机械能转化为电能，为前述的电化学回收装置供电，实现了自驱动废旧磷酸铁锂电池回收系统的构建。

目前，磷酸铁锂电池回收主要以湿法回收为主，具有回收效率好、回收产物纯度高等优点，但是该法工艺复杂，使用大量酸碱试剂，易造成二次污染。本研究采用电化学法氧化食盐水，利用生成的Cl^-/ClO^-氧化还原对实现磷酸铁锂正极材料的回收，大大降低化学试剂使用量，同时将湿法回收需要至少10步的回收体系缩短为4步，简化工艺流程，节能环保降成本。

传统回收方式侧重于回收金属含量及经济效益高的正极材料，对于附加值较低的负极材料、隔膜、电池壳等部件不能全面兼顾，易造成新的环境问题。本研究不仅回收磷酸铁锂正极材料，而且将废旧石墨负极重新利用组装全电池。同时，利用废旧的电池壳、隔膜、集流体等部件设计新型摩擦纳米发电机，实现了废旧锂电池中各物质组分的有效回收及拓展应用。

前面设计的电化学回收系统工艺简单、所得产物纯度高，但其不可避免的需要大量的电能输入。如何提高效率、降低成本是实现本研究的重点与难点。设计的摩擦纳米发电机能够收集环境中的机械能转化为电能，为电化学回收系统供电，实现了废旧磷酸铁锂电池回收系统的自驱动。并且，相比于直流电，摩擦纳米发电机的脉冲输出也有利于回收效率的提高。

电化学回收系统使用化学试剂少，并且能够有效氧化磷酸铁锂正极材料，因此，产物中杂质离子少，回收效果明显。本研究回收中间产物Li₂CO₃和FePO₄的纯度分别为99.70%和99.75%，便于后续生产。同时化学试剂用量降低、工艺流程简化、自驱动系统设计等的提出使本研究的产率提升、成本降低，因而利润增加。

Self-powered recycling of spent lithium iron phosphate batteries via triboelectric nanogenerator

王杰研究员简介：研究员，博士生导师，教育部新世纪优秀人才。2008年于西安交通大学获工学博士学位，曾在中国振华电子集团有限公司做博士后研究和美国佐治亚理工学院材料系做访问学者，主要从事储能与换能纳米材料与器件、超级电容器和摩擦纳米发电机及其在可穿戴电子产品、蓝色能源、环境治理中的应用等方面的研究。作为项目负责人主持省部级以上项目10余项。在Science Robotics、Joule、 Nature Communications、 Science Advances、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、ACS Energy Letters和Nano Energy等期刊发表研究论文100余篇，出版英文论著2章，获授权发明专利20余项。

张宝峰，男，工学博士，2020年毕业于西安交通大学电子科学与技术专业。主要研究方向为高性能摩擦纳米发电机及自驱动能源系统设计及优化、波浪能收集、能源存储与转化、超高倍率磷酸铁锂正极材料的制备及聚合物超级电容器设计等，主持博士后基金面上项目（2022M713110）一项，参与国家自然科学面上项目两项（51772240，51777152），陕西省重点研发计划一项（017ZDCXL-GY-08-02）。

自充电能源系统实验室主要从事储能与换能纳米材料与器件、超级电容器和摩擦纳米发电机及其在可穿戴电子产品、蓝色能源、环境治理中的应用等方面的研究。以构建高性能摩擦纳米发电机器件为目标，以摩擦纳米发电机的结构设计和材料优化为手段，探索摩擦纳米发电机在可穿戴电子产品、蓝色能源、环境治理中的应用，实验室还研究了恒流摩擦纳米发电机的机理及性能优化和应用，并在高性能、高耐久性摩擦纳米发电机的研究方面取得了重要进展。

1. 摩擦纳米发电机的性能优化

2. 恒流摩擦纳米发电机

3. 储能与换能纳米材料与器件超级电容器

4. 摩擦纳米发电机在可穿戴电子产品、蓝色能源、环境治理中的应用