中國儲能網(wǎng)訊：鋰離子電池被廣泛應用于諸多領(lǐng)域，但其有限的使用壽命帶來了資源緊張和環(huán)境風險等挑戰(zhàn)，因此廢舊鋰離子電池的回收已然成為學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點。與從廢舊電池中提取關(guān)鍵金屬的傳統(tǒng)冶金方法不同，直接回收工藝可以修復受損材料，并通過有效的處理最大限度地運用其價值。然而，現(xiàn)有直接回收方法依賴長時間加熱以實現(xiàn)失效結(jié)構(gòu)的重排。同時，鋰離子電池的性能基準不斷提升，即使廢舊鋰離子電池直接再生能夠恢復其原始性能，往往也會與最新的市場要求存在差距，這兩大問題對直接回收技術(shù)的發(fā)展與應用提出了全新挑戰(zhàn)。
近日，清華大學深圳國際研究生院周光敏團隊與中國科學院深圳先進技術(shù)研究院研究員成會明院士團隊合作，在前期失效電池材料直接修復與升級回收研究的基礎(chǔ)上，利用外場作用構(gòu)建連續(xù)非平衡態(tài)修復過程，突破熱力學限制，從而降低了再生過程的整體能壘。他們深入剖析了直接升級回收過程的設(shè)計思想，指出其核心是在目標材料和初始材料之間構(gòu)建可行的直接相變路徑，最終提出了通用性的超快直接修復與升級回收策略。
團隊在前期大量的實驗結(jié)果與經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上，開展了方法學創(chuàng)新，基于焦耳定律通過在修復過程中引入外電場，利用自由電子與原子晶格碰撞在極短時間內(nèi)釋放能量，從而將修復過程由熱力學主導轉(zhuǎn)變?yōu)閯恿W主導的過程，克服了現(xiàn)有直接修復穩(wěn)態(tài)反應速率的局限，指數(shù)級縮短了修復時長，大幅提高了修復效率及物料與能量利用率，通過秒級超快過程即可完成失效材料的物相重構(gòu)與性能恢復。
以失效錳酸鋰（LiMn2O4）材料為例，研究構(gòu)建了連續(xù)相轉(zhuǎn)變的路徑，展示了將其單步超快升級為下一代高性能鋰離子電池正極材料的有效性與通用性。升級產(chǎn)物包括高壓快充型鎳錳酸鋰（LiNi0.5Mn1.5O4）正極材料和高能量密度型無鈷富鋰錳基層狀氧化物（Li1.2Ni0.2Mn0.6O2）正極材料等，從而將整體經(jīng)濟效益較直接修復提高3~5倍。更重要的是，得益于超快非平衡反應過程，有效調(diào)控了鋰離子、過渡金屬離子及空位缺陷的遷移與重排行為，成功在材料中引入元素梯度分布及適量的有益結(jié)構(gòu)缺陷，再生產(chǎn)物的循環(huán)穩(wěn)定性及快速充放性能超越了同類商業(yè)正極材料。
圖1.超快直接修復和升級回收策略的設(shè)計思路
由于設(shè)計思路的突破，相比于傳統(tǒng)的回收方法，該策略具有短流程、高效率、可拓展等一系列優(yōu)勢，為直接修復方法的發(fā)展提供了新的視角與思路。而且團隊在研究中提供了“食譜”級實驗手冊，逐步詳細介紹了廢舊鋰離子電池正極材料直接修復與升級回收的操作流程及實驗細節(jié)，可為進入該新興研究領(lǐng)域的跨學科研究人員提供可靠指導，從而促進鋰離子電池的綠色循環(huán)與可持續(xù)發(fā)展。
圖2.超快直接升級回收方法的應用展示與材料性能
研究成果以“廢舊鋰離子電池正極材料超快直接再生和升級的通用方案”（A universal protocol for ultrafast direct regeneration and upcycling of spent lithium-ion battery cathode materials）為題，于8月18日發(fā)表于《自然·協(xié)議》（Nature Protocols）。
周光敏、成會明為論文的通訊作者；清華大學深圳國際研究生院2023級博士生季昊鋮與上海交通大學助理研究員王俊雄為論文共同第一作者。研究得到國家自然科學基金委、科技部、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)局、深圳鵬瑞基金會等的支持。
