近日，中國科學院合肥物質(zhì)科學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性能優(yōu)異的正極材料研究中取得新進展。他們通過一種簡單的“一石三鳥”固相燒結策略，可將廢舊鈷酸鋰回收升級為高性能的正極材料高壓鈷酸鋰。相關研究成果發(fā)表在《先進能源材料》上。
據(jù)介紹，鋰離子電池具有高能量密度、長壽命、低成本、低自放電等特點，應用于便攜式電子產(chǎn)品、電動汽車、電網(wǎng)級儲能系統(tǒng)等領域。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，在便攜式電子器件中占據(jù)主導地位。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，將造成嚴重的環(huán)境危害和寶貴金屬資源的浪費。同時，隨著人們對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。
傳統(tǒng)的回收技術主要以火法冶金和濕法冶金為基礎，提取有價金屬成分制備相應的前驅(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，但強酸和還原試劑的大量消耗增加了整個操作的成本，同時不可避免地會產(chǎn)生二次污染。總體而言，現(xiàn)有的火法冶金和濕法冶金工藝缺乏經(jīng)濟可行性和環(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”的固相燒結方法，以碳酸鋰、硫脲和乙酸錳分別作為鋰源和摻雜劑，同時實現(xiàn)成分/結構缺陷修復、外表面重建以及元素摻雜三重效應耦合，將廢舊鈷酸鋰電池升級為高壓鈷酸鋰正極材料。研究通過修復廢舊鈷酸鋰存在的成分/結構缺陷、表面晶格氧逸出和結構畸變等問題，確保再生高壓鈷酸鋰的電化學性能優(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為高性能鋰離子電池，證實了“一石三鳥”的固相燒結策略具有通用性。
此外，研究采用原位XRD和DFT理論計算等方法探討了充放電過程中材料內(nèi)在的結構演變和潛在的再生機理。該工作有望為廢舊鋰離子電池回收再生和升級再造成具有長期循環(huán)穩(wěn)定性的高能量密度電池提供新思路。
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