为循环经济寻找新技术

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【为循环经济寻找新技术】光明图片/视觉中国

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【环球科技】
气候变化和可持续发展是当代人类面临的最重大课题之一。人类生产的许多产品都含有一些可重复利用却未被回收的成分，这既污染了环境，又浪费了宝贵资源。改变传统的“生产、使用、丢弃”的线性模式，代之以“回收、循环、再利用”的新模式是循环经济的本质。
当前，世界各国的科学家都在积极推动与循环经济相关的技术发展。作为美国能源部下辖的实验室，阿贡国家实验室（ArgonneNationalLaboratory ， ANL）近年来不断在可持续发展和清洁能源领域加大投入，开展了一系列值得关注的探索性研究。
1.城市就地挖矿
使用过的锂电池已经成为一大环境问题。据统计，目前全球每年废弃的锂电池数量超过50万吨，到2030年全球每年将产生200万吨的锂电池废料，这一数字到2040年或将达800万吨。虽然全球目前已成立多家锂电池回收企业，以回收电池中的关键材料（如锂、钴、镍等金属元素和石墨等），但这些企业却很难获得利润。随着钴等贵金属用量的逐步减少，回收行业的利润也将难以为继。
美国能源部于2019年投资1500万美元（3年期）、联合阿贡国家实验室、国家可再生能源实验室、橡树岭国家实验室以及伍斯特理工学院、加州大学圣迭戈分校和密歇根理工大学，共同组建了Recell中心，该中心由阿贡实验室领导。作为美国第一家致力于研发锂电池回收利用的中心，其目标是通过开发新工艺和新手段，降低锂电池回收的成本（将电池回收成本降低至每千瓦时80美元），使这一行业变得有利可图，并减少对外国矿物资源的依赖。该中心的研究聚焦于四大主题：
设计可循环利用的材料。即从设计伊始就将电池材料的可循环利用性考虑在内。目前阿贡正在考虑的一个选项是棱柱形的软包电池，这种电池使用寿命到期后经过特殊的“冲洗”工艺将无用的废物清理掉，再填充进电解液后，就可作为新电池重新使用，这样一来，电池的寿命将大大超过目前的10年；
直接对电池阴极进行回收。阴极材料是锂电池中最宝贵的部分，含有包括锂在内的多种重要元素，是大多数回收努力的目标。阴极的晶体结构也有相当价值，因此阴极直接回收是指保留它的结构。据统计，如果能实现这一点，电池的总体成本可降低5%到30% 。目前阿贡的研究人员已测试了至少9种方法，包括从降解的阴极材料中完全回收锂；
回收其他电池材料。除阴极外的其他材料，如电解液、阳极材料等。目前， Recell中心的合作伙伴之一——橡树岭国家实验室的研究人员已经能够成功回收锂电池捣碎后留下的“黑色物质”（blackmass）——阳极和阴极粉末的混合物；
建模和分析。仅仅在实验室取得良好结果还远远不够。建模和分析工作旨在筛选成功的实验室项目，决定其是否适合工业放大以便商业化。
阿贡实验室循环经济计划负责人兼化学与工程部主任辛西娅·詹克斯（CynthiaJenks）将上述这些工作称为“城市挖矿”——从城市的垃圾填埋场或回收中心就可以获取某些珍贵的材料，减少了从外国的进口，还可以改善国家能源安全。