阿贡实验室研发电池材料、生物燃料材料新工艺

新化学分离技术使回收电池与生物柴油成为可能

阿贡研究人员正在研究分离技术的高级化学试剂，以实现回收电池以及生物燃料生产。(图片由Lauren Valentino/阿贡国家实验室提供。)

回收罐和瓶时，在某些时候有必要将塑料和金属分开。回收汽车电池时，提取最有价值的金属同样需要分离，但这一次需要一种特殊的化学分离工艺。

电池阴极中发现的钴、锰和镍的开采成本很高，科学家们多年来一直在寻找一种可以通过废旧电池制造新电池的方法。

当汽车电池寿命到达极限时，会被送到一台自动切碎机上粉碎。从这些已粉碎的电池中提取有用的化学制品不是件易事。美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的研究人员已经转向了一个被称为电容去离子的工艺，该工艺通过镍、锰和钴的电荷将其从废物流中分离出来。

阿贡工程师Lauren Valentino说：“基于物理原理、化学原理以及电化学原理，不同的分离技术用于不同的目的。在第一步中，机械过程只能做这么多，所以我们转向膜、吸附剂以及电容去离子技术，这些技术可以用来重新捕获感兴趣的化学品。”

根据Valentino的说法，电池回收是非常复杂的，因为不是所有的汽车电池都是相同的。她说：“当需要回收汽车电池时，很难掌控你得到的是什么。当电池被切碎时，会有阴极、阳极、电解质、隔膜等各种各样的混合物在一起。”

回收电池需要分解并将将大的化学成分分离成基本元素。Valentino表示：“制造电池就像用乐高(Lego)积木搭建一座塔一样。通过不同形状的小模块搭建一座塔，但如果你想重建，就必须将所有的模块拆解并分类，以达到目的。”

电容去离子的一大优点是灵活。根据Valentino的说法，电容去离子可以通过控制流量和操作时间适应各种材料和不同的操作战略。她说：“通过控制材料和实施方式，我们能够真正地定制分离出来的元素和化学品。”

Valtentino和她的同事用于电池回收的电容去离子工艺也在其他领域有应用，其中包括生物能源的生产。Valentino带领生物加工分离联盟(Bioprocessing Separations Consortium)，该联盟由六个国家实验室的研究人员组成，共同研究和开发生物质转化为生物燃料所需的分离工艺和技术。(该联盟于2016年，由能源部能效部与可再生能源部下属的生物能源技术部成立。)

Valentino说：“在某些时候，有一个转换步骤，再是分离工艺。当这些反应堆产生复杂混合物时，含有有许多不同元素，我们必须分离并集中系统感兴趣的东西，催化升级，从而产生生物燃料。”

与带正电的离子的电池回收技术不同的是，生物能源生产需要Valentino和她的同事寻找负电荷分子。本质上，我们的电容去离子工艺就像是“爪子”一样，可以挑出我们感兴趣的分子。

一旦分离，这些化合物都是多用途的，可以转化为碳氢化合物生物燃料，例如，可再生柴油或可持续航空燃料。Valentino说：“我们只是刚开始探索不同的分离方式，更有效的分离可以使交通更加可持续。还有很多需要我们发现。”

这项研究是与NUMiX Materials共同合作完成的，并得到了美国国家科学基金会(National Science Foundation)的部分资助。