电动汽车在全球范围内正蓬勃发展，销量和市场渗透率持续攀升。这也意味着未来将产生堆积如山的电子垃圾。尽管人们正在作出诸多努力来改进电池回收，但许多电动汽车电池最终仍难逃被填埋的命运。 电池包括三个主要部分：带正电的正极、带负电的负极以及在它们之间传输锂离子的电解质。大多数锂离子电池中的电解质是高度易燃的，并会随着时间的推移降解成有毒的副产物，需要特殊处理。因此，回收电池一般都需要刺激性化学品、高温和复杂的工艺。 近日，麻省理工学院蒋业明（Yet-Ming Chiang）和 Julia Ortony 团队希望借助一种新型自组装电池材料来改变这一现状，这种材料在浸入一种简单的有机液体后能够迅速分解。在Nature Chemistry期刊新发表的一篇论文中，研究人员展示了这种材料可以作为电解质用于正常工作的固态电池，并在几分钟内恢复到其最初的分子状态。 这种方法为将电池粉碎成难以回收的混合物质提供了替代方案。由于电解质是电池的连接层，当新材料恢复到原来的分子形式时，整个电池会自行分解，从而加速回收过程。 “迄今为止，在电池行业，我们一直专注于高性能的材料和设计，之后才试图弄清楚如何回收那些结构复杂、难以回收的电池。”论文的第一作者、2023 届博士生 Yukio Cho 说，“我们的方法是从易于回收的材料开始，然后研究如何使它们与电池兼容。从一开始就设计可回收的电池是一种新方法。” 在《哈利·波特》系列电影中，有一个场景是邓布利多教授只需挥动手腕念个咒语就能清理破败的房屋。这个画面在 Yukio Cho 小时候就深深印在了他的脑海里。 在参加 Julia Ortony 对于设计分子使其能够组装成复杂结构然后恢复到原始形态的演讲后，他开始思考是否也可以魔法般地回收电池。 为了简化回收过程，研究人员决定制造一种更可持续的电解质。为此，他们研究了一类在水中自组装的分子的分子，名为芳纶两亲体（AAs），其化学结构和稳定性与凯夫拉相似。研究人员对 AAs 进行了修饰，使其包含聚乙二醇（PEG）片段，从而实现锂离子的传输。当暴露于水中时，产生的分子会自组装成具有离子导电PEG表面的机械稳定的纳米带。 “这种材料由两部分组成，”Cho解释说。“第一部分是这种柔性的链，它提供了锂离子跳跃的载体。第二部分是这种在凯夫拉尔纤维中使用的强有机材料成分，它是一种防弹材料。这两部分使得整个结构稳定。” 当加入水中时，纳米带会自组装形成数百万条纳米带。这些纳米带组装后会形成凝胶状材料，可以压制成柔性固态电解质。在电池工作过程中，这种材料支持锂离子在电池电极之间流动。然而，当置于有机溶剂中时，纳米带结构会迅速分解，从而可以轻松拆卸电池。 该团队测试了这种材料的强度和韧性，发现它能够承受制造和运行电池相关的压力。他们还构建了一种功能性固态电池，以磷酸铁锂为阴极，锂钛氧化物为阳极——这两种材料已用于商业电池。他们发现，基于聚乙二醇（PEG）的纳米带可以成功地在电解质中传输锂离子。 “锂离子确实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。 然而，作为概念验证，研究人员对他们的电池所能达到的性能感到满意。 “说服现有的供应商以非常不同的方式做事是非常具有挑战性的。但对于未来五到十年可能出现的新电池材料，一开始就将其整合到新设计中可能会更容易。” Cho 还认为，这种方法可以通过重复使用美国现有电池中的材料，帮助将锂供应回流到美国。“人们开始意识到这有多重要。如果我们能够开始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设锂矿相同。此外，每个电池都需要一定量的锂，因此推断出电动汽车的增长，我们需要重复使用这种材料，以避免锂价格大幅飙升。”
