清華新聞網(wǎng)5月23日電 近年來(lái)，鋰離子電池（LIB）的可持續(xù)回收逐漸成為業(yè)內(nèi)關(guān)注焦點(diǎn)。在電池的所有組分中，正極材料占據(jù)最大重量并主導(dǎo)了電池成本，其回收再利用刻不容緩。商業(yè)正極材料包括橄欖石型磷酸鐵鋰（LFP）、層狀鈷酸鋰/三元材料以及尖晶石錳酸鋰（LMO）。因?yàn)檫@些正極具有不同的晶體結(jié)構(gòu)，目前的直接回收方法主要針對(duì)單一特定成分，同時(shí)處理多種正極材料仍面臨很大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)火法或濕法回收通過(guò)高溫熔煉或化學(xué)過(guò)程破壞電池材料，并需要復(fù)雜的步驟來(lái)分離不同的元素，導(dǎo)致二次污染。更重要的是，失效LFP或LMO電池中的有價(jià)元素含量低，而這些方法產(chǎn)生的Fe/Mn產(chǎn)物具有較低經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此需要發(fā)展更好的回收技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)混合正極材料的經(jīng)濟(jì)回收。
傳統(tǒng)LFP電池的能量密度約為180Wh/kg，遠(yuǎn)低于NMC/NCA三元電池（＞250Wh/kg）。盡管通過(guò)簡(jiǎn)化電池模塊和提高體積利用效率等技術(shù)，如刀片電池、麒麟電池，已在電池組層面大大縮小了這一能量密度差距，但這些技術(shù)已接近極限。要進(jìn)一步改善性能，必須提升LFP正極本身的能量密度，其中提高中值電壓是最有效的方法。以過(guò)渡金屬（TM= Mn、Co、Ni）替代Fe位點(diǎn)形成LiFexTM1-xPO4（如LiFexMn1-xPO4，LFMP）固溶體，被認(rèn)為是提高工作電位的有效策略。同時(shí)廢舊LIB中富含這些過(guò)渡金屬，因此直接將失效LFP和富錳正極材料升級(jí)為L(zhǎng)FMP正極是一種可行且經(jīng)濟(jì)的策略，不僅可解決混合正極材料回收的難題，而且能實(shí)現(xiàn)失效LFP材料的升級(jí)再利用。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院周光敏副教授，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)院與金屬研究所、深圳理工大學(xué)（籌）成會(huì)明院士，上海交通大學(xué)梁正副教授團(tuán)隊(duì)提出了一種針對(duì)混合失效正極材料（LFP+LMO）的升級(jí)回收策略，以綠色環(huán)保的低共熔溶劑為介質(zhì)，通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)控和過(guò)渡金屬替換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芰棵芏鹊木坳庪x子型正極材料。再生磷酸錳鐵鋰正極材料的中值電壓和能量密度分別提升至3.68V（相對(duì)于Li/Li+）和559 Wh/kg，均高于商業(yè)LFP（3.38 V和524Wh/kg）。該策略可以實(shí)現(xiàn)混合正極中的全元素回收和溶劑的循環(huán)利用，同時(shí)可擴(kuò)展合成其他高電壓磷酸鹽材料。經(jīng)濟(jì)性分析表明，升級(jí)回收策略具有更高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，為回收低價(jià)值的混合正極材料升級(jí)為下一代正極材料提供了一種新思路。
圖1.失效磷酸鐵鋰和錳酸鋰的升級(jí)回收過(guò)程
圖2.再生的磷酸錳鐵鋰正極材料的結(jié)構(gòu)表征
圖3.再生的磷酸錳鐵鋰正極材料的電化學(xué)性能
圖4.不同回收策略的經(jīng)濟(jì)性分析
5月14日，相關(guān)研究成果以“混合失效正極材料向高電壓聚陰離子正極材料的可持續(xù)升級(jí)回收”（Sustainable upcycling of mixed spentcathodes to a high-voltage polyanioniccathode material）為題，發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。
成會(huì)明、周光敏、上海交通大學(xué)助理研究員王俊雄博士為論文通訊作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院與上海交通大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生季冠軍、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2021級(jí)碩士生唐迪為論文共同第一作者。論文作者還包括梁正，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2023級(jí)博士生季昊鋮，2021級(jí)碩士生馬駿、莊兆豐，科研助理劉松。研究得到國(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)委等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-48181-9
供稿：深圳國(guó)際研究生院
題圖設(shè)計(jì)：任帥
編輯：李華山
審核：郭玲
