如今的电动汽车热潮，注定会成为未来电子垃圾的“山”。尽管人们正在竭尽全力改进电池回收利用，但许多电动汽车电池最终还是被填埋。

据外媒报道，麻省理工学院的一个研究团队希望通过一种新型自组装电池材料来改变这一现状，这种材料在浸入简单的有机液体中时会迅速分解。

图片来源： 期刊《Nature Chemistry》

在期刊《Nature Chemistry》发表的一篇论文中，研究人员展示了这种材料可以作为固态电池的电解质，并在几分钟内恢复到其原始的分子成分。

这种方法提供了一种替代方案，避免将电池粉碎成难以回收的混合块。由于电解质充当了电池的连接层，当新材料恢复到其原始分子形态时，整个电池就会解体，从而加速回收过程。

“到目前为止，在电池行业，我们一直专注于高性能材料和设计，后来才开始尝试如何回收由复杂结构和难以回收材料制成的电池，”该论文的第一作者Yukio Cho博士说道。“我们的方法是从易于回收的材料入手，并研究如何使它们与电池兼容。从一开始就设计可回收电池是一种新方法。”

与Cho共同撰写该论文的还有博士生Cole Fincher、Ty Christoff-Tempesta博士、京瓷（Kyocera）陶瓷教授Yet-Ming Chiang、客座副教授Julia Ortony、Xiaobing Zuo和Guillaume Lamour。

更好的电池

在《哈利·波特》系列电影中，邓布利多教授只需轻轻一挥手腕，念出一个咒语，就能清扫一栋破败的房子。Cho说，这个画面在他小时候就萦绕在他的脑海里。（还有什么比这更好的清洁房间的方法呢？）当他看到Ortony关于分子工程的演讲，让它们能够组装成复杂的结构，然后再恢复到原来的形态时，他萌生了一个想法：能否利用这一技术，让电池回收变得像变魔术一样。

这将为电池行业带来范式转变。如今，电池回收需要使用刺激性化学物质、高温和复杂的工艺。电池主要由三个部分组成：带正电的正极、带负电的负极以及在正负极之间传输锂离子的电解质。大多数锂离子电池中的电解质高度易燃，并且会随着时间的推移降解为需要特殊处理的有毒副产品。

为了简化回收过程，研究人员决定制造一种更具可持续性的电解质。为此，他们研究了一类能够在水中自组装的分子，即芳纶两亲分子（AA），其化学结构和稳定性与凯夫拉纤维相似。

研究人员进一步设计了芳纶两亲分子，使其在每个分子的一端包含能够传导锂离子的聚乙二醇（PEG）。当这些分子暴露于水中时，它们会自发形成纳米带，纳米带具有离子传导的PEG表面和基底，通过紧密的氢键作用模仿凯夫拉纤维的坚固性。

最终形成了一种机械稳定的纳米带结构，可以在其表面传导离子。

“这种材料由两部分组成，”Cho解释道。“第一部分是柔性链，它为锂离子提供了一个‘巢穴’，或者说‘宿主’，供其跳跃。第二部分是用于凯夫拉纤维（Kevlar）的坚固有机材料成分，凯夫拉纤维是一种防弹材料。这些成分使整个结构保持稳定。”

当纳米带加入水中时，它们会自组装形成数百万条纳米带，这些纳米带可以通过热压制成固态材料。

Cho表示：“加入水中五分钟后，溶液就变成了凝胶状，这表明液体中形成了大量的纳米纤维，它们开始相互缠绕。令人兴奋的是，由于其自组装特性，我们可以大规模生产这种材料。”

团队测试了该材料的强度和韧性，发现它可以承受电池制造和运行过程中产生的应力。他们还构建了一个固态电池单元，以磷酸铁锂为阴极，以钛酸锂为阳极，这两种材料都是当今电池中的常见材料。

纳米带成功地在电极之间移动了锂离子，但一种名为极化的副作用限制了锂离子在快速充放电过程中向电池电极的移动，与当今的黄金标准商用电池相比，其性能有所下降。

“锂离子可以沿着纳米纤维移动，但将锂离子从纳米纤维转移到金属氧化物似乎是整个过程中最缓慢的环节，”Cho说道。

当他们将电池单元浸入有机溶剂中时，这种材料立即溶解，电池的各个部分脱落，更容易回收利用。Cho将这些材料的反应比作棉花糖浸入水中。

“电解质将两个电池电极连接在一起，并提供锂离子的通道，”Cho说道。“因此，当你想要回收电池时，整个电解质层可以自然脱落，然后你可以单独回收电极。”

验证新方法

Cho表示，这种材料是一个概念验证，体现了“回收优先”的理念。“我们不想说我们解决了这种材料的所有问题。我们的电池性能并不理想，因为我们只使用了这种材料作为纸张的全部电解质，但我们设想的是将这种材料用作电池电解质的其中一层。不必使用全部电解质来启动回收过程。”

Cho还认为，通过进一步的实验，这种材料的性能还有很大的优化空间。目前，研究人员正在探索将这些材料整合到现有电池设计中的方法，并将这些想法应用于新的电池化学反应中。

“说服现有供应商采取截然不同的做法非常具有挑战性，”Cho说道。“但随着新电池材料可能在未来5年或10年问世，在初期将其整合到新设计中可能会更容易。”

Cho还认为，通过重复使用美国现有电池中的材料，这种方法可以帮助恢复锂供应。“人们开始意识到这一点的重要性，如果我们能够大规模回收电池废料中的锂离子电池，其效果将与在美国开采锂矿相同。此外，每个电池都需要一定量的锂，因此，考虑到电动汽车的增长，我们需要重复使用这种材料，以避免锂价格大幅飙升。”