如何提升电池寿命与再利用，助推美国电网未来发展

随着人工智能和数据中心对电网的需求增加，卡内基梅隆大学正在改善美国能源未来核心技术——电池。

电池能够存储来自太阳能农场的廉价能源，以供数据中心使用，并作为电网的额外存储，可靠地为汽车和家庭供电。但在国内制造和使用这项技术一直面临挑战——电池的使用寿命有限，而美国缺乏在国内制造电池所需的原材料。为了解决这些问题，卡内基梅隆大学的研究人员正在努力延长旧电池的使用寿命，提高未来电池的可靠性，并回收电池材料。

扩大国家电池储存系统的最快方法之一是以新的方式重用现有电池。这在实际层面上意味着什么？基本上，当电池无法再为电动汽车供电时，卡内基梅隆大学工程与公共政策系（EPP）的研究人员发现，这种电池可以有效地重新用作稳定的长期静态能源存储。

“我们刚刚开始看到美国路上第一批电动汽车（EV）开始达到其使用寿命的终点，”EPP博士生安娜·科布（Anna Cobb）说，她一直在研究二次电池的使用。“而且有个问题就是，我们该如何处理这些电池？市场力量将激励人们做什么？”

科布和她的研究团队，包括她的导师杰里米·米哈莱克（Jeremy Michalek），研究了电动汽车中使用的三种最常见类型的电池。他们想评估是回收这些电池以获取关键矿物更有意义，还是保持其完整性并在其他方面重新使用。

“我们从那些拥有一堆报废电池的人角度出发。也许那是一个汽车废料场，或者某种拆解者，或者从保险拍卖中购买车辆的人，他们正在试图弄清楚如何处理这些电池。我们想知道：重新利用这些电池的人会为它支付多少钱？然后，电池的健康状态如何，它可能用于什么二次用途？”

科布和她的团队发现，回收特斯拉在其长续航车型中使用的镍钴铝（NCA）电池更具成本效益，因为镍和钴是昂贵的关键矿物。

“NCA电池很有价值，所以它们是回收的好选择，”机械工程和EEP教授、车辆电气化小组的创始共同主任米哈莱克说。“你可以回收这些电池，并通过出售回收的材料来支付回收的费用。但NCA电池并不是二次使用的良好候选者，因为它们退化得非常快，因此它们在二次使用时几乎没有剩余的使用寿命。”

另一种长续航电池——镍锰钴（NMC）的研究结果并不那么明确。他们发现，重新利用NMC电池的成本效益很大程度上取决于电池的健康状态和它的重用强度。

然而，锂铁磷酸盐（LFP）电池在标准续航电动车中更为常用，具有在固定储能中再利用的强大潜力。

米哈莱克说：“LFP电池更便宜，而且它们几乎可以用很久。我们进行了大量快速充电的研究，无论我们怎么折腾，它们都能继续运转。它们就像是充电小兔子。”

为了得出这些结论，研究人员模拟了电池在其第一（车辆）和第二（固定储能）生命周期中通常充电和使用的频率，以试图理解不同类型电池的降解速度。他们的研究结果表明，已经在汽车中使用了14年的LFP电池，作为储能至少还能用16年。这些电池可以帮助扩大电池容量，而不需要从其他国家进口新电池。

科布说：“这些再利用的电池可以用来存储从太阳能发电场捕获的能量，或者作为电网的频率调节。当电网的供需失衡时，有随时能用的电池储能就很方便。”

再利用电池的商业和政治理由很强。

特珀商学院的教授阿兰·谢勒-沃尔夫说：“如果我们能够再利用、回收和重新利用，这本质上为这些物品创造了一个国内供应来源，从而减少了对海外供应商的依赖。考虑到全球政治，这确实是个值得关注的问题。”

谢勒-沃尔夫表示，虽然目前在美国并不存在这种情况，循环供应链能提升能源效率、经济稳定和工业发展。

他说：“这会让前期成本降低，因为你将减少材料的成本。而且你将降低退役成本，因为你不再需要填埋并支付一定费用，而是能获取价值。因此，这里有被困的价值，但我们还没有找到经济上提取它的方法。”

从工业废物中回收可再生能源材料

Anactisis是一家CMU衍生公司，利用工业废物，如煤灰，将其转化为商业和国防应用所需的关键矿物的新来源。

问题： “到2028年，数据中心可能会 消耗 美国约12%的电力，因此我们需要增加国家的能源生产能力，”Anactisis的联合创始人兼现任首席执行官、前卡内基梅隆大学教授Thanos Karamalidis说。“我们在很大程度上依赖于进口的原材料，这些原材料对半导体、电池、太阳能电池板甚至电力分配线路至关重要。因此，我们必须找到替代解决方案，以减少对外国材料的依赖。”

解决方案： 想象一个大型复杂的水过滤器，只不过是用来处理工业废物。这些废物中富含其他材料，因为传统采矿效率极低，至少有40%的有价值矿物在这个过程中被浪费。Anactisis的过滤系统占地仅约1400平方英尺，可以像乐高积木一样堆叠在工业加工设施旁边。每个过滤单元可以提取不同的矿物，有助于增强美国的可再生能源生产。

“我们所有的系统都是模块化的，环保的，更便宜，更快，碳排放更少，因此碳足迹要小得多，”Karamalidis说。

Anactisis可以处理像煤灰这样的废物——燃烧煤炭的粉状副产品——并通过过滤器提取锗，这是一种用于半导体、微芯片和太阳能电池等产品的重要元素。Karamalidis相信，Anactisis可以利用他们的技术满足近100%的国内锗需求。

这些过滤单元还可以处理二氧化钛生产的废物，二氧化钛用于制造油漆颜料，并提取钪和钒——这些元素可以用于未来的电网能源存储电池。

“我们的系统可以立即部署，这与传统采矿需要数十年才能开采并且需要大量资金的情况截然不同，可以在美国各地的地点开始注入我们国内供应链中的关键矿物，”Karamalidis说。

延长电池寿命的廉价解决方案

仅仅重复使用电池并不能稳定或扩展国家的可再生能源电网。美国也没有大多数制造新电池所需的关键矿物——如钴、镍和锂。开发更持久的电池可以减少美国从中国进口电池的频率。

这就是Reeja Jayan的研究发挥作用的地方。

“当电池没电时，它并不是死的，”Jayan说，她是机械工程、电气与计算机工程以及材料科学与工程系的教授。“矿物是完整的，只是你通常没有能力从中提取电流。所以，拥有像我们这样的技术可以帮助延长电池的使用寿命。”

贾扬开发了一种超薄塑料涂层，可以使电池的使用寿命是普通电池的10倍。

为了理解这一原理，贾扬表示可以将电池的结构想象成一个三明治。两片面包被称为电极——一端是正极，另一端是负极。面包之间的夹心是电解质，锂离子通过电解质在电极之间来回穿梭。但随着时间的推移，这些离子的活动会逐渐破坏电极，阻碍电荷的流动，最终导致电池失效。

贾扬创造的聚合物涂层可以减缓这种退化。用三明治的比喻来说——它就像稳定了两片面包，让离子在夹心内部能更长时间地弹跳。

这种塑料涂层的厚度是头发的1/10,000。使用贾扬实验室开发的特殊机器，涂层可以精确地应用于电池的不同部分，比如电极，甚至是电极内部的矿物颗粒。

“聚合物——或塑料——是灵活的，它们可以像保鲜膜一样包裹材料，”她说。“但这些塑料与保鲜膜不同，它们是导电的。这是关键。如果你用保鲜膜包裹电池，可以保持电极颗粒在形态和电性上完好无损，从而延长电池的使用寿命。”

这项技术其实挺便宜的。贾扬估计，规模化后的塑料涂层仅占电池单元总成本的1%–3%。

贾扬的公司海狮能源专注于在分子层面改善电池。贾扬希望这项技术能为美国的可持续能源独立做出贡献。

“在未来，我们不必扔掉电池单元，”她说。“在美国，现在有两党支持建立这些能源存储系统，延长电池的使用时间能帮助降低能源成本。这也可以降低制造任何东西，尤其是电池时自然产生的温室气体排放的影响。”

这个承诺在经济上是有道理的，还能帮助满足日益增长的能源需求，海因茨信息系统与公共政策学院的经济学和公共政策副教授阿克沙亚·贾表示。

“如果你能延长电池的使用寿命，那么投资电池将更具盈利性，”贾说。“从激励投资电池的角度来看，这非常令人兴奋。”

更多的电池储存将是扩大和稳定美国电网的关键，特别是随着太阳能以创纪录的速度持续增长。

“随着风能和太阳能在电力生产中所占比例的提高，我们将越来越需要面对这样一个事实：风能和太阳能技术只有在自然允许的情况下才能生产——当风在吹或太阳在照耀时，”贾说。

“这就是电池能发挥大作用的地方。太阳能只在白天产生，而在晚上不产生。因此，当阳光充足时，电池可以充电，然后在晚上有需求且外面黑暗时释放电力。”

同样的想法也适用于与太阳能农场和电池储存共址的数据中心。

“与太阳能农场共址的电池意味着，数据中心在白天会使用这些太阳能，而剩余的多余能量可以存储在电池中。然后，电池可以在晚上放电，数据中心就可以使用电池提供的电力。”

随着太阳能继续以前所未有的速度增长，美国需要转向最优质的电池和能源供应链。