近日，上海交通大学环境科学与工程学院许振明团队在著名学术期刊Proceedings of the National Academy of Sciences上发表了题为“A method for using the residual energy in waste Li-ion batteries by regulating potential with the aid of overvoltage response”的研究论文。该研究论文首次提出了利用废旧锂电池中剩余能量的新思想，构建了剩余能量利用过程中电池电位调控的机理模型与方法，为废旧锂电池剩余能量的利用开辟了新的途径。
研究背景
近年来，废旧锂电池中金属资源的回收已经受到了广泛的关注，然而废旧锂电池中的剩余能量却一直被忽略。研究表明，废旧锂电池在电压下降至截止电压后（过放电阶段）仍含有5％-10％的剩余能量。据估计，近5年间报废的锂电池中含有的剩余能量大约为600GWh，相当于一个小型火力发电厂一年的发电量。然而，由于这些剩余能量无法再继续为电子产品提供电力，以往的研究一直将这部分能量默认为“无法利用的能量”，且在回收过程中的放电步骤被浪费。而本团队提出了通过电化学的方式实现了这些“无法利用的能量”的重新再利用。
图1 利用废旧锂电池中剩余能量去除溶液中重金属离子
研究内容
基于通过电化学反应利用废旧锂电池剩余能量，本团队创造性地构建了通过调控电池阴极电位进行电化学还原利用废旧锂电池中剩余能量的机理模型与方法。首先发现了废旧锂电池剩余能量再利用的关键挑战是电化学反应过程中不稳定的电池的阴极电位。面对这一挑战，本文建立了一个电化学机理模型，揭示了溶液pH对电池阴极电位和电流的响应机制：（1）电池内部的电流I可以通过溶液的pH值控制电池放电决速步骤——电池阳极铁的氧化速率进行调控；（2）电池电流I的变化在受到废旧锂电池高内阻R特性的影响会引发电池内部较高程度的过电压η响应(η = IR)，从而改变了电池的输出电压和阴极电位；（3）基于电池阳极Fe的氧化存在钝化区间的特性，通过利用溶液pH到达钝化临界区所导致的电化学反应速率和电池电流发生的突变，实现了电池的阴极电位随溶液pH的调控从连续化转为区间化。实验结果表明，电池的阴极电位在Fe完全钝化（pH<3.4）、Fe局部钝化（pH≈3.4）、Fe不钝化（pH>4）时分别为>-0.47V, -0.47V—-0.82V,<-0.82V。基于此机制，本研究建立了利用废旧锂电池剩余能量在不同电位和电流需求的场景中应用的方法。此方法可以利用废旧锂电池剩余能量用以去除废水中的重金属（Cu，Cd，Zn），去除废水中的Cr(VI)和回收溶液中的铜，且电池的能量利用率可以分别达到35.08%、88.4%和84.7%。
图2 溶液pH对电池电流和电池阴极电位的响应的电化学机理模型
论文DOI: 10.1073/pnas.2213130120
作者简介
孙宏怀，上海交通大学环境科学与工程学院2021级博士研究生。主要研究方向为废旧锂电池的处理处置与资源化。目前以第一作者在PNAS、ACS Sustainable Chemistry & Engineering等期刊上发表研究论文多篇。
宋庆明，上海交通大学环境科学与工程学院博士后。主要研究方向为电子废弃物无害化与资源化、多金属分离提取新方法、污染物转化等研究方向。入选上海市“超级博士后”激励计划，并主持国家自然科学基金青年科学基金项目。目前以第一作者在Environmental Science & Technology、Journal of Hazardous Materials等高水平学术期刊上发表SCI论文多篇。
许振明，上海交通大学环境科学与工程学院特聘教授、博士生导师，主要从事固体废弃物无害化、资源化、材料化和环境功能材料与资源循环利用等方面的研究。主持了国家重点研发计划“固废资源化”项目、国家863、自然科学基金重点、面上项目、中央办公厅066工程、江苏省双创团队负责人、产业化等30余项。在PNAS、Environmental Science & Technology、Journal of Hazardous Materials等学术期刊上发表SCI论文200余篇。授权发明专利30余项，建立城市矿产资源处理处置与资源化教学与科研大平台，成果获教育部发明一等奖1项。
期刊介绍
《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）于1914年创立，是世界上被引最多的综合性、跨学科连续出版物之一。PNAS主要刊载世界尖端的研究报告、学术评论、学科回顾及前瞻、观点展示、学术论文以及美国科学院学术动态报道等，所涵盖学科领域主要为生命科学、自然科学、社会科学。