團隊提出具有最低共熔點的二元鋰鹽共熔體系，實現(xiàn)高失效程度三元電極材料的直接修復(fù)。完全失效的鎳鈷錳三元材料NCM523（鎳鈷錳比例5:2:3）經(jīng)過修復(fù)后，容量可提升至與商業(yè)材料水平相當(dāng)，200圈循環(huán)后容量保持率仍然有80%以上，可以直接作為電極材料使用。該方法適用性廣泛，對NCM111（鎳鈷錳比例1:1:1）、NCM622（鎳鈷錳比例6:2:2）、鈷酸鋰等層狀過渡金屬氧化物正極材料均適用，具有較大的實際應(yīng)用前景。
團隊構(gòu)建了電池正負(fù)極材料協(xié)同回收機制，實現(xiàn)正極、負(fù)極材料的同步直接再生。再生后的正極材料，容量大幅提升，使用再生正極與再生負(fù)極材料制備的軟包電池，其容量與使用商業(yè)電極材料的電池基本一致，證明再生材料可直接重新利用。該回收策略實現(xiàn)了鋰資源在廢電池內(nèi)部的閉環(huán)循環(huán)利用，正極材料再生過程不再需要外源性的鋰鹽添加，同時兼顧了正極材料與負(fù)極石墨的再生，經(jīng)濟效益明顯提升。
圖2.正負(fù)極協(xié)同回收機制以及正極材料修復(fù)機理團隊還探索失效磷酸鐵鋰的修復(fù)，通過使用環(huán)境友好的乙醇作為還原劑，以醋酸鋰作為鋰源對其進行修復(fù)。與此同時，通過構(gòu)建異質(zhì)界面對磷酸鐵鋰中鐵的d帶中心進行調(diào)控實現(xiàn)再生磷酸鐵鋰的長循環(huán)，在10C的倍率下循環(huán)1000圈容量保持率接近80%。該方法對于回收失效磷酸鐵鋰實現(xiàn)長壽命循環(huán)提供了新思路。
另一方面，研究從廢棄鋰離子電池中回收Co、Fe與廢棄木屑載體結(jié)合，設(shè)計合成了具有孤立Fe原子位點的CoFe金屬間化合物作為鋅空氣電池正極的催化劑。合成的CoFe/C納米催化劑表現(xiàn)出良好的氧還原/氧析出雙功能催化活性，其性能優(yōu)于商業(yè)化的20% Pt/C催化劑，且價格遠(yuǎn)低于商業(yè)Pt/C催化劑。該方法拓展了回收產(chǎn)物的高值化利用途徑。相關(guān)工作以“用于直接回收高失效程度正極的普適性熔融鹽”（Adaptable eutectic salt for the direct recycling of highly degraded layer cathodes）、“高效提取負(fù)極中的鋰，用于廢舊鋰離子電池正極材料的直接再生”（Efficient Extraction of Lithium from Anode for Direct Regeneration of Cathode Materials of Spent Li-Ion Batteries）、“通過提高Fe的d帶中心實現(xiàn)再生磷酸鐵鋰的長壽命循環(huán)”（Long-Life Regenerated LiFePO4from Spent Cathode by Elevating the d-Band Center of Fe）、“回收廢棄鋰離子電池制備具有孤立鐵位點的鈷鐵金屬間化合物調(diào)控鋅-空氣電池的性能”（Isolating Contiguous Fe Atoms by Forming a Co?Fe Intermetallic Catalyst from Spent Lithium-Ion Batteries to Regulate Activity for Zinc?Air Batteries）為題，分別發(fā)表在《美國化學(xué)會會志》（Journal of the American Chemical Society,JACS）、《美國化學(xué)會能源快報》（ACS Energy Letters）、《先進材料》（Advanced Materials）、《美國化學(xué)學(xué)會納米》（ACS Nano）上。成會明、周光敏為上述文章通訊作者。上海交通大學(xué)梁正副教授為《美國化學(xué)會會志》《美國化學(xué)會能源快報》《先進材料》三篇論文的共同通訊作者。清華大學(xué)深圳國際研究生院2021級碩士研究生馬駿、博士后王俊雄、上海交通大學(xué)2019級聯(lián)合培養(yǎng)博士生賈凱為《美國化學(xué)會會志》《美國化學(xué)會能源快報》《先進材料》三篇論文的第一作者。清華大學(xué)深圳國際研究生院2020級博士后焦妙倫、張祺為《美國化學(xué)學(xué)會納米》文章的共同第一作者。電池回收的相關(guān)工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金、清華大學(xué)深圳國際研究生院跨學(xué)科研究與創(chuàng)新基金等項目的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/jacs.2c07860
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c01539
https://doi.org/10.1002/adma.202208034
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c06826
參考資料：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/99625.htm
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