中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：鋰離子電池被廣泛應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)等挑戰(zhàn)，因此廢舊鋰離子電池的回收已然成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。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(fù)受損材料，并通過有效的處理最大限度地運(yùn)用其價(jià)值。然而，現(xiàn)有直接回收方法依賴長(zhǎng)時(shí)間加熱以實(shí)現(xiàn)失效結(jié)構(gòu)的重排。同時(shí)，鋰離子電池的性能基準(zhǔn)不斷提升，即使廢舊鋰離子電池直接再生能夠恢復(fù)其原始性能，往往也會(huì)與最新的市場(chǎng)要求存在差距，這兩大問題對(duì)直接回收技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用提出了全新挑戰(zhàn)。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院周光敏團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員成會(huì)明院士團(tuán)隊(duì)合作，在前期失效電池材料直接修復(fù)與升級(jí)回收研究的基礎(chǔ)上，利用外場(chǎng)作用構(gòu)建連續(xù)非平衡態(tài)修復(fù)過程，突破熱力學(xué)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(jí)回收過程的設(shè)計(jì)思想，指出其核心是在目標(biāo)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(fù)與升級(jí)回收策略。
團(tuán)隊(duì)在前期大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，開展了方法學(xué)創(chuàng)新，基于焦耳定律通過在修復(fù)過程中引入外電場(chǎng)，利用自由電子與原子晶格碰撞在極短時(shí)間內(nèi)釋放能量，從而將修復(fù)過程由熱力學(xué)主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)力學(xué)主導(dǎo)的過程，克服了現(xiàn)有直接修復(fù)穩(wěn)態(tài)反應(yīng)速率的局限，指數(shù)級(jí)縮短了修復(fù)時(shí)長(zhǎng)，大幅提高了修復(fù)效率及物料與能量利用率，通過秒級(jí)超快過程即可完成失效材料的物相重構(gòu)與性能恢復(fù)。
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(jí)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(jí)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(jì)效益較直接修復(fù)提高3~5倍。更重要的是，得益于超快非平衡反應(yīng)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(fù)和升級(jí)回收策略的設(shè)計(jì)思路
由于設(shè)計(jì)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(shì)，為直接修復(fù)方法的發(fā)展提供了新的視角與思路。而且團(tuán)隊(duì)在研究中提供了“食譜”級(jí)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，逐步詳細(xì)介紹了廢舊鋰離子電池正極材料直接修復(fù)與升級(jí)回收的操作流程及實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，可為進(jìn)入該新興研究領(lǐng)域的跨學(xué)科研究人員提供可靠指導(dǎo)，從而促進(jìn)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(jí)回收方法的應(yīng)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(jí)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(huì)明為論文的通訊作者；清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2023級(jí)博士生季昊鋮與上海交通大學(xué)助理研究員王俊雄為論文共同第一作者。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)局、深圳鵬瑞基金會(huì)等的支持。
