“一石三鳥”實現(xiàn)廢舊鈷酸鋰電池正極材料“再生”

近期，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院固體物理研究所研究員張云霞、湖州師范學院副教授韓苗苗等通過一種簡單的“一石三鳥”固相燒結(jié)策略，可以有效地將廢舊鈷酸鋰電池正極材料回收升級為高性能的高壓鈷酸鋰正極材料。近日，相關研究成果發(fā)表于《先進能源材料》。

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，廣泛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。作為一種典型的鋰離子電池正極材料，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。

據(jù)了解，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，如果處理不當，將造成嚴重的環(huán)境危害和金屬資源的巨大浪費。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，不僅實現(xiàn)了金屬資源的可持續(xù)利用，還順應了高壓鈷酸鋰正極材料的發(fā)展趨勢。

傳統(tǒng)的回收技術(shù)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，這兩種工藝缺乏經(jīng)濟可行性和環(huán)境友好性。因此，急需探索一種綠色、節(jié)能、無損的鋰離子電池直接再生策略。

在此次研究中，研究人員采用一鍋固相燒結(jié)法，同時實現(xiàn)成分/結(jié)構(gòu)缺陷修復、外表面重建以及元素摻雜三重效應耦合，達到“一石三鳥”的功效，將廢舊鈷酸鋰升級為高壓鈷酸鋰正極材料。所得到的高壓鈷酸鋰正極材料在截止電壓4.5伏特時，容量為188.2毫安時每克；且該材料具有優(yōu)異的循環(huán)性能，100圈循環(huán)后的容量保持率為92.5%，300圈后容量保持率為86.4%。

同時，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地升級為高性能的高壓鈷酸鋰正極材料，證實了這種“一石三鳥”的固相燒結(jié)策略具有通用性。此外，研究人員采用原位X射線衍射和密度泛函理論計算等方法，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理。

研究人員稱，該工作有望為廢舊鋰離子電池回收再生和具有長期循環(huán)穩(wěn)定性的高能量密度電池升級再造提供新思路。

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