近日，東北大學(xué)李犁教授團(tuán)隊(duì)在能源材料領(lǐng)域國際權(quán)威期刊《Energy Storage Materials》上發(fā)表最新研究成果，提出了一種基于“以廢治廢”理念的閉環(huán)升級再生（Closed-loop Upcycling）策略，實(shí)現(xiàn)了對失效鈷酸鋰（LiCoO2）正極材料的高性能再生。該策略以二次壽命終止的磷酸鐵鋰（LiFePO4）正極為資源，通過低成本化學(xué)浸出與一步固相燒結(jié)過程，同時(shí)完成鋰離子補(bǔ)充、結(jié)構(gòu)修復(fù)及Fe摻雜三重調(diào)控，使低價(jià)值LiFePO4廢物成為高價(jià)值LiCoO2再生的關(guān)鍵功能來源。得益于該策略精準(zhǔn)的化學(xué)計(jì)量補(bǔ)償、晶格重構(gòu)以及高效摻雜調(diào)控，升級再生后的Fe摻雜LiCoO2在4.5 V高電壓展現(xiàn)出優(yōu)異而穩(wěn)定的電化學(xué)性能，優(yōu)于商業(yè)LiCoO2材料及多數(shù)現(xiàn)有再生策略。本研究為多組分鋰離子電池正極材料的協(xié)同回收與高值化再生提供了全新的技術(shù)路徑。

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的快速崛起，鋰離子電池的需求持續(xù)擴(kuò)張，與之伴隨的是不斷攀升的退役電池?cái)?shù)量。當(dāng)前，鈷酸鋰（LiCoO2）因其在3C電子領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用而形成龐大的退役規(guī)模，其生產(chǎn)與再制造過程消耗了全球約70%的鈷資源，高效回收對緩解資源緊缺與降低環(huán)境負(fù)擔(dān)具有重要意義。與此同時(shí)，磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池以其安全性與長壽命優(yōu)勢在儲能與電動(dòng)車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其退役量同樣迅速增長。然而，LiFePO4的經(jīng)濟(jì)價(jià)值較低，常規(guī)回收技術(shù)難以形成正向循環(huán)，導(dǎo)致資源利用率偏低。

在此背景下，本研究團(tuán)隊(duì)提出了一種閉環(huán)升級再生策略。以失效LiCoO2材料為主體，以二次壽命終止的LiFePO4作為補(bǔ)鋰劑與摻雜劑來源。通過對LiFePO4浸出獲得的Li2CO3與Fe(OH)3進(jìn)行組合調(diào)控，在一步固相燒結(jié)過程中同步完成失效LiCoO2內(nèi)部的鋰離子補(bǔ)充、晶格修復(fù)與Fe摻雜。其中，Li2CO3作為鋰源有效補(bǔ)充了D–LCO中的鋰空位，解決了長期循環(huán)后普遍存在的鋰虧損問題；Fe(OH)3在高溫下實(shí)現(xiàn)均勻摻雜，在保持原有層狀結(jié)構(gòu)的前提下增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，抑制高電壓下的H2-M1-H3相變，提升了再生材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。得益于上述結(jié)構(gòu)調(diào)控，再生的Li2CO3材料在0.2 C倍率下放電容量達(dá)201 mAh g?1，在3 C倍率下循環(huán)200次后容量保持率仍達(dá)86.8%。技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估表明，本策略在能耗、水耗、溫室氣體排放及經(jīng)濟(jì)收益方面均優(yōu)于現(xiàn)有主流回收方法，展現(xiàn)出良好的工業(yè)前景與可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖1 基于“以廢治廢”理念的閉環(huán)升級再生策略的設(shè)計(jì)原則

圖2 升級再生LiCoO2正極材料的電化學(xué)性能

通訊作者簡介：

李犁，東北大學(xué)冶金學(xué)院教授、博導(dǎo)、所長，可再生能源轉(zhuǎn)換與儲能團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，英國皇家化學(xué)會會士，入選國家萬人計(jì)劃-科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，國家高層次人才計(jì)劃-青年項(xiàng)目（四青），遼寧省興遼英才計(jì)劃，沈陽市杰出人才等，H index>50，擔(dān)任中國有色金屬學(xué)會熔鹽化學(xué)與技術(shù)委員會委員等多個(gè)國內(nèi)及國際專業(yè)委員會副主任及委員等；以通訊作者在National Science Review, Chem, Matter, PNAS, JACS, Angew, Chemical Society Reviews, Energy & Environmental Science、Science Bulletin等國內(nèi)與國際著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文100余篇，多次入選“全球前2%科學(xué)家”榜單等高被引科學(xué)家榜單；擔(dān)任國家科學(xué)評論National Science Review學(xué)科編輯組成員，冶金頂刊Metallurgical and Materials Transactions A評審委員會主席，Metallurgical and Materials Transactions B、Materials Horizons、Nanoscale Horizons、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Sustainable Materials and Technologies等10余本國內(nèi)外學(xué)術(shù)雜志副主編/編輯/編委等。先后獲得英國皇家化學(xué)會青年獎(jiǎng)、國際材料學(xué)會科學(xué)獎(jiǎng)、榮程祥青科研創(chuàng)新獎(jiǎng)等國內(nèi)及國際獎(jiǎng)項(xiàng)20余項(xiàng)。主要研究方向?yàn)椋?）新能源存儲（鋰電池、鈉電池、Li-S電池、超級電容器、水系電池及其他能源存儲形式）及器件制備；2）冶金物理化學(xué)與冶金新材料；3）電催化/光催化以及綠氫制備技術(shù)；4）電池回收及固體廢棄物資源回收與利用等。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持。

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