仅在过去四年里，全球锂离子电池的使用量就翻了一番，从而产生了大量含有毒物质的电池废弃物。因此，人们日益需要行之有效的废旧锂离子电池回收方法。据外媒报道，在期刊《ChemElectroChem》上，由波兰不同机构研究人员组成的团队提出了富有前景的解决方案。
用不同放大倍数记录的浸出后废电池粉末的SEM图像，分别为（a-b）材料1、（c-d）材料2、（e-f）材料3。（图片来源：ChemElectroChem）
该研究基于从废旧锂离子电池（LIB）电极中提取的碳材料。这些电极经过酸性浸出工艺以回收有价值金属。根据实验条件的不同，所得到的碳材料或多或少被侵蚀，在变成粉末后仍含有微量的金属，其中包括钴（这是一种经常用于催化的金属）。这项研究旨在重新利用这些电池材料以用于催化过程，尤其关注那些有助于生产过氧化氢的材料。
项目负责人Dr. Eng. Magdalena Warczak（PBS）表示：“过氧化氢是一种基本的化学分子，对许多行业都十分重要。通常情况下，大规模生产这种物质需要高压和高温、昂贵的催化剂和各种有毒电解质。这项研究的重点是开发更加环保的过氧化氢生产方法，特别是使用衍生自废旧锂离子电池的催化剂的电化学方法。”
电化学测试表明，从废旧LIB电池回收的材料中包含碳纳米结构和钴，在氧化还原反应中表现出催化特性。然而，研究还发现，这些特性高度依赖于样品类型，尤其是其成分和结构，这在很大程度上受到酸蚀池（etching baths，用于清洁从LIB中提取的电极）的成分影响。
Dr. Warczak表示：“对于未来的潜在应用来说，关键发现在于，基于使用旋转电极的实验所收集的数据，我们能够确定参与单个氧分子还原过程的电子数量。进行氧电化学还原需要四个或两个电子。在四个电子的情况下会产生水，但通过二电子过程会得到所需的过氧化氢。在所有测试样品中，我们都观察到了二电子还原。”
为了消除作为基底的玻璃碳电极对结果的潜在影响，研究人员在将单体电池粉末悬浮在两种不混溶液体之间的系统中反复进行测量。这种有机液体含有十甲基二茂铁化合物，可在所研究的氧还原反应过程中提供电子。氧还原在液体之间的界面处自发发生。这些研究表明，类似于使用玻璃碳电极的实验，所有样品都催化氧还原反应生成过氧化氢。电化学扫描显微镜测量显示，界面处的过氧化氢浓度比没有电池废料的系统高出一到两个数量级。
Dr. Warczak总结道：“锂离子电池通常被视为碳材料的次级来源，主要包括石墨，以及锂、钴或镍等金属。同时，这一研究发现清晰地展示了电池废料可以催化氧还原反应生成过氧化氢。未来这可能促进将电池废料用于生产这种重要的化合物。”
过氧化氢具有诸多用途，比如用作燃料氧化剂，包括火箭燃料。它最早在20世纪40年代发挥了这一作用，当时它被用于能够跨越太空常规边界的早期火箭。然而，当时它的浓度不超过80%，技术限制阻碍了长期任务。相比之下，高浓度（98%或更高）的过氧化氢是最环保的推进剂之一。就在几周前，它首次以这种形式用于太空飞行。
未来的研究将集中于提高电化学反应的效率，以适应未来工业应用。研究人员还计划，进一步探索四电子还原在燃料电池中的潜在应用。
