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近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所在廢舊鈷酸鋰電池直接再生為電化學(xué)性能優(yōu)異的正極材料研究中取得新進(jìn)展。他們通過一種簡(jiǎn)單的“一石三鳥”固相燒結(jié)策略，可將廢舊鈷酸鋰回收升級(jí)為高性能的正極材料高壓鈷酸鋰。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》上。
據(jù)介紹，鋰離子電池具有高能量密度、長(zhǎng)壽命、低成本、低自放電等特點(diǎn)，應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車、電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域。其中，鈷酸鋰由于固有的高能量密度以及方便大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式電子器件中占據(jù)主導(dǎo)地位。而全世界每年廢棄的便攜式電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的廢舊鋰離子電池超過10萬噸，若處理不當(dāng)，將造成嚴(yán)重的環(huán)境危害和寶貴金屬資源的浪費(fèi)。同時(shí)，隨著人們對(duì)電池能量密度需求不斷增加，提升截止電壓成為提高能量密度最有效的策略之一。因此，如果將廢舊鈷酸鋰回收再生為高壓鈷酸鋰，不但實(shí)現(xiàn)了金屬資源的可持續(xù)利用，而且可以滿足高壓鈷酸鋰材料的發(fā)展趨勢(shì)。
傳統(tǒng)的回收技術(shù)主要以火法冶金和濕法冶金為基礎(chǔ)，提取有價(jià)金屬成分制備相應(yīng)的前驅(qū)體。然而，火法冶金過程涉及高溫還原煅燒和分解鈷酸鋰為混合合金，需要消耗大量的能量。濕法冶金工藝采用酸浸替代高溫還原階段，但強(qiáng)酸和還原試劑的大量消耗增加了整個(gè)操作的成本，同時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生二次污染?？傮w而言，現(xiàn)有的火法冶金和濕法冶金工藝缺乏經(jīng)濟(jì)可行性和環(huán)境友好性。因此，急需探索綠色、節(jié)能、無損的鋰離子電池直接再生策略。
基于此，研究采用“一石三鳥”的固相燒結(jié)方法，以碳酸鋰、硫脲和乙酸錳分別作為鋰源和摻雜劑，同時(shí)實(shí)現(xiàn)成分/結(jié)構(gòu)缺陷修復(fù)、外表面重建以及元素?fù)诫s三重效應(yīng)耦合，將廢舊鈷酸鋰電池升級(jí)為高壓鈷酸鋰正極材料。研究通過修復(fù)廢舊鈷酸鋰存在的成分/結(jié)構(gòu)缺陷、表面晶格氧逸出和結(jié)構(gòu)畸變等問題，確保再生高壓鈷酸鋰的電化學(xué)性能優(yōu)于未受損的鈷酸鋰材料。
研究還發(fā)現(xiàn)，來自不同廠家或不同失效程度的廢舊鈷酸鋰正極材料均可有效升級(jí)為高性能鋰離子電池，證實(shí)了“一石三鳥”的固相燒結(jié)策略具有通用性。
此外，研究采用原位XRD和DFT理論計(jì)算等方法探討了充放電過程中材料內(nèi)在的結(jié)構(gòu)演變和潛在的再生機(jī)理。該工作有望為廢舊鋰離子電池回收再生和升級(jí)再造成具有長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性的高能量密度電池提供新思路。
