近日⚉，意昂4体育平台許振明團隊在著名學術期刊Proceedings of the National Academy of Sciences上發表了題為“A method for using the residual energy in waste Li-ion batteries by regulating potential with the aid of overvoltage response”的研究論文。該研究論文首次提出了利用廢舊鋰電池中剩余能量的新思想👩🏽，構建了剩余能量利用過程中電池電位調控的機理模型與方法，為廢舊鋰電池剩余能量的利用開辟了新的途徑📨。

研究背景

    近年來，廢舊鋰電池中金屬資源的回收已經受到了廣泛的關註，然而廢舊鋰電池中的剩余能量卻一直被忽略。研究表明，廢舊鋰電池在電壓下降至截止電壓後（過放電階段）仍含有5％-10％的剩余能量。據估計，近5年間報廢的鋰電池中含有的剩余能量大約為600GWh🎾，相當於一個小型火力發電廠一年的發電量🚵🏿。然而🔍，由於這些剩余能量無法再繼續為電子產品提供電力，以往的研究一直將這部分能量默認為“無法利用的能量”，且在回收過程中的放電步驟被浪費💇。而本團隊提出了通過電化學的方式實現了這些“無法利用的能量”的重新再利用🪠。

圖1 利用廢舊鋰電池中剩余能量去除溶液中重金屬離子

研究內容

    基於通過電化學反應利用廢舊鋰電池剩余能量🥜，本團隊創造性地構建了通過調控電池陰極電位進行電化學還原利用廢舊鋰電池中剩余能量的機理模型與方法👨🏽‍🏫。首先發現了廢舊鋰電池剩余能量再利用的關鍵挑戰是電化學反應過程中不穩定的電池的陰極電位。面對這一挑戰，本文建立了一個電化學機理模型🧑🏿‍🎤，揭示了溶液pH對電池陰極電位和電流的響應機製：（1）電池內部的電流I可以通過溶液的pH值控製電池放電決速步驟——電池陽極鐵的氧化速率進行調控👩🏻‍🏫🦹🏼；（2）電池電流I的變化在受到廢舊鋰電池高內阻R特性的影響會引發電池內部較高程度的過電壓η響應(η = IR)，從而改變了電池的輸出電壓和陰極電位；（3）基於電池陽極Fe的氧化存在鈍化區間的特性，通過利用溶液pH到達鈍化臨界區所導致的電化學反應速率和電池電流發生的突變，實現了電池的陰極電位隨溶液pH的調控從連續化轉為區間化。實驗結果表明🧜‍♀️👷🏽，電池的陰極電位在Fe完全鈍化（pH<3.4）、Fe局部鈍化（pH≈3.4）🐌、Fe不鈍化（pH>4）時分別為>-0.47V, -0.47V—-0.82V,<-0.82V。基於此機製，本研究建立了利用廢舊鋰電池剩余能量在不同電位和電流需求的場景中應用的方法。此方法可以利用廢舊鋰電池剩余能量用以去除廢水中的重金屬（Cu👰🏼，Cd，Zn）🦏，去除廢水中的Cr(VI)和回收溶液中的銅，且電池的能量利用率可以分別達到35.08%、88.4%和84.7%。

圖2 溶液pH對電池電流和電池陰極電位的響應的電化學機理模型

    論文DOI: 10.1073/pnas.2213130120

作者簡介

    孫宏懷，意昂4体育平台2021級博士研究生🤦🏻‍♀️。主要研究方向為廢舊鋰電池的處理處置與資源化🌡。目前以第一作者在PNAS、ACS Sustainable Chemistry & Engineering等期刊上發表研究論文多篇。

    宋慶明🧘‍♂️，意昂4体育平台博士後🚊。主要研究方向為電子廢棄物無害化與資源化📋、多金屬分離提取新方法、汙染物轉化等研究方向👅。入選上海市“超級博士後”激勵計劃♥️，並主持國家自然科學基金青年科學基金項目。目前以第一作者在Environmental Science & Technology、Journal of Hazardous Materials等高水平學術期刊上發表SCI論文多篇🧑‍🏫。

    許振明😈，意昂4体育平台特聘教授🧁、博士生導師，主要從事固體廢棄物無害化、資源化、材料化和環境功能材料與資源循環利用等方面的研究。主持了國家重點研發計劃“固廢資源化”項目、國家863、自然科學基金重點、面上項目、中央辦公廳066工程🌏、江蘇省雙創團隊負責人、產業化等30余項。在PNAS🐁、Environmental Science & Technology、Journal of Hazardous Materials等學術期刊上發表SCI論文200余篇。授權發明專利30余項🩵，建立城市礦產資源處理處置與資源化教學與科研大平臺，成果獲教育部發明一等獎1項。

期刊介紹

    《美國科意昂4院報》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America👒，PNAS）於1914年創立🙍🏼，是世界上被引最多的綜合性、跨學科連續出版物之一🫸🏻。PNAS主要刊載世界尖端的研究報告、學術評論、學科回顧及前瞻📏📓、觀點展示♿️、學術論文以及美國科意昂4學術動態報道等，所涵蓋學科領域主要為生命科學🎣、自然科學😟、社會科學🫡。