北理工課題組在退役鋰離子電池直接修復(fù)再生研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-03-14 供稿：材料學(xué)院 黃清榮 攝影：材料學(xué)院
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3月6日，北京理工大學(xué)材料學(xué)院李麗教授、吳鋒院士課題組在退役鋰離子電池正極材料修復(fù)再生研究中取得重要進(jìn)展,，基于酸刻蝕表面預(yù)處理和固相燒結(jié)補(bǔ)鋰技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)高度失效LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2（NCM523）升級(jí)修復(fù)。酸刻蝕可選擇性去除表面惰性類巖鹽結(jié)構(gòu)并將多晶二次顆粒解離為單晶,，同時(shí)降低補(bǔ)鋰過(guò)程中的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)勢(shì)壘,，顯著提升了固相燒結(jié)過(guò)程中的修復(fù)效果。此外,，得益于單晶形貌更優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性,，修復(fù)后ER-NCM523的循環(huán)穩(wěn)定性顯著提高。全生命周期經(jīng)濟(jì)環(huán)境分析表明,，該回收技術(shù)兼具綠色,、短程和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。相關(guān)研究成果以“Surface engineering enabling efficient upcycling of highly degraded layered cathode”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Advanced Materials上,，北京理工大學(xué)博士研究生黃清榮為本文第一作者,。
作為推動(dòng)能源領(lǐng)域綠色發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)，退役鋰離子電池的回收處理在新能源汽車(chē)及儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,。退役層狀正極材料的性能衰減主要?dú)w因于電極材料的結(jié)構(gòu)退化和活性鋰損失,。特別是在長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程中，層狀材料在應(yīng)力和副反應(yīng)的協(xié)同作用下,，表面層狀結(jié)構(gòu)緩慢轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅艿念悗r鹽結(jié)構(gòu),。電化學(xué)惰性的類巖鹽相不僅阻斷了修復(fù)過(guò)程中的補(bǔ)鋰通道，還需要克服較大的熱力學(xué)勢(shì)壘才能轉(zhuǎn)化為層狀結(jié)構(gòu),。而高度退化層狀正極廢料表面的類巖鹽相較厚,，傳統(tǒng)的固相燒結(jié)、水熱,、低溫共晶鹽等修復(fù)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)高效的補(bǔ)鋰,，對(duì)高度退化的三元層狀材料的適用性較弱。
鑒于此,，課題組提出了一種針對(duì)層狀正極材料的表面預(yù)處理輔助升級(jí)修復(fù)技術(shù)（surface engineering assisted direct upcycling, SADU）,。該技術(shù)基于不同化合價(jià)過(guò)渡金屬元素與酸的反應(yīng)活性差異，能夠選擇性地去除層狀廢料表面類巖鹽結(jié)構(gòu),，同時(shí)將多晶廢料解離為單晶顆粒,。刻蝕后的廢料只需經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單固相燒結(jié)并補(bǔ)充鋰元素,，即可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能的修復(fù),。修復(fù)后的NCM523材料放電容量與商業(yè)化產(chǎn)品相當(dāng)，且循環(huán)穩(wěn)定性更為優(yōu)異,，在3.0-4.2 V（相對(duì)于石墨負(fù)極）下循環(huán)500周后,，容量保持率為80.1%,，遠(yuǎn)高于商業(yè)NCM523材料（57.1%）。經(jīng)濟(jì)與環(huán)境評(píng)估顯示,，該回收技術(shù)的利潤(rùn)分別是火法回收和濕法回收的14.2倍和3.4倍,，而其溫室氣體排放量?jī)H為火法回收的51.7%和濕法回收的57.6%。此外,，該直接修復(fù)技術(shù)不僅適用于中低鎳層狀材料,，還可拓展至其它層狀材料，如鈷酸鋰或高鎳層狀氧化物,，展現(xiàn)出巨大的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用潛力,。
圖1 （a）SADU技術(shù)流程示意圖,；（b）修復(fù)后NCM523和商業(yè)正極材料在全電池中的容量衰減曲線,；（c）SADU技術(shù)的經(jīng)濟(jì)分析；（d）基于傳統(tǒng)技術(shù)和SADU技術(shù)再生LIBs的試劑消耗與溫室氣體排放量對(duì)比
綜上所述,，研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了一種表面預(yù)處理輔助升級(jí)修復(fù)技術(shù),，有效攻克了高度退化層狀材料難以直接修復(fù)的技術(shù)難題，并充分驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性,、可靠性和普適性,。通過(guò)選擇性去除材料表面的惰性類巖鹽相，并優(yōu)化其微觀形貌,，該技術(shù)顯著提升了修復(fù)過(guò)程中的補(bǔ)鋰效率以及材料的循環(huán)穩(wěn)定性,。此外，該技術(shù)所涉及的酸蝕刻和固態(tài)燒結(jié)工藝,，已在當(dāng)前電池材料生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用,，無(wú)需額外開(kāi)發(fā)新設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)快速工業(yè)化應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用潛力巨大,。
文章鏈接： https://doi.org/10.1002/adma.202419872,。
附作者簡(jiǎn)介：
黃清榮，北京理工大學(xué)材料學(xué)院2021級(jí)博士研究生,，師從李麗教授,，主要從事高比能LIBs材料設(shè)計(jì)與低碳綠色回收研究，研究方向?yàn)殇囯x子電池失效分析,、材料改性,、資源化再利用等多學(xué)科交叉基礎(chǔ)研究及應(yīng)用研究。在Advanced Materials,、Energy Storage Materials,、Science Bulletin、Materials Today等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇,，申請(qǐng)發(fā)明專利4項(xiàng),，參編學(xué)術(shù)專著2部,。
李 麗，北京理工大學(xué)教授,，博士生導(dǎo)師,。國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才，英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士等,。長(zhǎng)期從事新型綠色二次電池關(guān)鍵材料設(shè)計(jì),、廢舊電池回收處理與資源化利用，綠色二次電池衰減機(jī)理與智能診斷等研究開(kāi)發(fā),。
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