清華新聞網(wǎng)5月7日電 隨著報(bào)廢電池與日俱增，電池回收日益成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院周光敏、成會(huì)明團(tuán)隊(duì)在前期電池直接回收研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合正極材料發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步提出了回收產(chǎn)物功能化的設(shè)計(jì)理念，將失效正極材料轉(zhuǎn)化為高電壓正極材料，實(shí)現(xiàn)了失效材料向高性能材料的轉(zhuǎn)變，大幅度提升了回收產(chǎn)物的價(jià)值。
結(jié)合前期大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算分析，研究團(tuán)隊(duì)首次提出利用失效材料本征結(jié)構(gòu)缺陷降低摻雜元素?cái)U(kuò)散能壘，從而增強(qiáng)了原子擴(kuò)散，并實(shí)現(xiàn)摻雜原子精準(zhǔn)占位的功能化再生機(jī)制。該機(jī)制巧妙利用了失效材料由于長(zhǎng)期循環(huán)造成的表面缺陷和內(nèi)部鋰空位等“不利”結(jié)構(gòu)特征，使其為原子的定向擴(kuò)散提供了通道?；谠摍C(jī)制設(shè)計(jì)的功能化再生方法，可以同步實(shí)現(xiàn)鋰元素的補(bǔ)充以及關(guān)鍵原子的精準(zhǔn)占位，在過(guò)渡金屬層間提供支撐作用，大幅增強(qiáng)層狀結(jié)構(gòu)在高電壓下大量脫鋰時(shí)的穩(wěn)定性，將失效鈷酸鋰一步再生為在4.6V高電壓下超穩(wěn)定的高電壓鈷酸鋰，300圈循環(huán)后容量保持率依然可達(dá)80%，是目前同類(lèi)材料（包含從商業(yè)前驅(qū)體制備的高壓鈷酸鋰材料）報(bào)道的最佳結(jié)果之一（圖1）。該方法大幅縮短了失效鈷酸鋰轉(zhuǎn)化為高電壓鈷酸鋰的流程，并將再生產(chǎn)物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值提升了20%以上，對(duì)回收產(chǎn)物的功能化再利用具有重要的借鑒意義。
圖1.失效鈷酸鋰一步轉(zhuǎn)化為高電壓鈷酸鋰流程
通過(guò)對(duì)摻雜元素功能與原子占位的理解，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合表面改性與體相摻雜策略，設(shè)計(jì)并制備了具有表面保護(hù)層與梯度體相摻雜的高電壓鈷酸鋰材料，將其充電截止電壓從4.6V進(jìn)一步推升至4.7V，突破了4.6V鈷酸鋰電池穩(wěn)定循環(huán)的截止電壓瓶頸（圖2）。所得材料在4.7V截止電壓條件下循環(huán)200圈，容量保持率仍然超過(guò)80%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的商業(yè)化鈷酸鋰正極，可對(duì)進(jìn)一步提升再生正極材料的能量密度提供重要指導(dǎo)。
圖2.具有超高截止電壓的鈷酸鋰結(jié)構(gòu)分析
相關(guān)研究成果以“將廢舊鈷酸鋰可持續(xù)地升級(jí)為在高電壓下超穩(wěn)定循環(huán)的電池正極”（Sustainable upcycling of spent LiCoO2 to an ultra-stable battery cathode at high voltage）和“通過(guò)界面穩(wěn)定和能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)4.7V的超高電壓的鈷酸鋰”（Ultrahigh-voltage LiCoO2 at 4.7V by Interface Stabilization and Band Structure Modification）為題分別發(fā)表在《自然·可持續(xù)性》（Nature Sustainability）和《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院成會(huì)明教授、周光敏副教授為文章通訊作者。上海交通大學(xué)梁正副教授為“將廢舊鈷酸鋰可持續(xù)地升級(jí)為在高電壓下超穩(wěn)定循環(huán)的電池正極”的共同通訊作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)博士后王俊雄、2021級(jí)研究生馬駿，上海交通大學(xué)2019級(jí)聯(lián)合培養(yǎng)博士生賈凱為共同第一作者。清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2021級(jí)研究生莊兆豐、2020級(jí)博士后王俊雄，2019級(jí)聯(lián)合培養(yǎng)博士生賈凱為“通過(guò)界面穩(wěn)定和能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)4.7V的超高電壓的鈷酸鋰”的共同第一作者。電池回收的相關(guān)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委等部門(mén)的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41893-023-01094-9
https://doi.org/10.1002/adma.202212059
供稿：深圳國(guó)際研究生院
題圖設(shè)計(jì)：劉雨田
編輯：李華山
審核：郭玲
