北理工課題組在退役鋰離子電池直接修復再生研究中取得重要進展
發(fā)布日期：2025-03-14 供稿：材料學院 黃清榮 攝影：材料學院
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3月6日,，北京理工大學材料學院李麗教授,、吳鋒院士課題組在退役鋰離子電池正極材料修復再生研究中取得重要進展，基于酸刻蝕表面預處理和固相燒結補鋰技術成功實現(xiàn)高度失效LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2（NCM523）升級修復,。酸刻蝕可選擇性去除表面惰性類巖鹽結構并將多晶二次顆粒解離為單晶，同時降低補鋰過程中的熱力學和動力學勢壘，顯著提升了固相燒結過程中的修復效果,。此外,，得益于單晶形貌更優(yōu)異的機械穩(wěn)定性，修復后ER-NCM523的循環(huán)穩(wěn)定性顯著提高,。全生命周期經(jīng)濟環(huán)境分析表明,，該回收技術兼具綠色、短程和經(jīng)濟優(yōu)勢,。相關研究成果以“Surface engineering enabling efficient upcycling of highly degraded layered cathode”為題發(fā)表在國際頂級期刊Advanced Materials上,，北京理工大學博士研究生黃清榮為本文第一作者。
作為推動能源領域綠色發(fā)展的關鍵一環(huán),，退役鋰離子電池的回收處理在新能源汽車及儲能產業(yè)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著至關重要的作用,。退役層狀正極材料的性能衰減主要歸因于電極材料的結構退化和活性鋰損失。特別是在長期循環(huán)過程中,，層狀材料在應力和副反應的協(xié)同作用下,，表面層狀結構緩慢轉變?yōu)橹旅艿念悗r鹽結構。電化學惰性的類巖鹽相不僅阻斷了修復過程中的補鋰通道,，還需要克服較大的熱力學勢壘才能轉化為層狀結構,。而高度退化層狀正極廢料表面的類巖鹽相較厚，傳統(tǒng)的固相燒結,、水熱,、低溫共晶鹽等修復技術難以實現(xiàn)高效的補鋰，對高度退化的三元層狀材料的適用性較弱,。
鑒于此,，課題組提出了一種針對層狀正極材料的表面預處理輔助升級修復技術（surface engineering assisted direct upcycling, SADU）。該技術基于不同化合價過渡金屬元素與酸的反應活性差異,，能夠選擇性地去除層狀廢料表面類巖鹽結構,，同時將多晶廢料解離為單晶顆粒?？涛g后的廢料只需經(jīng)過簡單固相燒結并補充鋰元素,，即可實現(xiàn)結構與功能的修復。修復后的NCM523材料放電容量與商業(yè)化產品相當,，且循環(huán)穩(wěn)定性更為優(yōu)異,，在3.0-4.2 V（相對于石墨負極）下循環(huán)500周后，容量保持率為80.1%,，遠高于商業(yè)NCM523材料（57.1%）,。經(jīng)濟與環(huán)境評估顯示，該回收技術的利潤分別是火法回收和濕法回收的14.2倍和3.4倍,，而其溫室氣體排放量僅為火法回收的51.7%和濕法回收的57.6%,。此外,，該直接修復技術不僅適用于中低鎳層狀材料，還可拓展至其它層狀材料,，如鈷酸鋰或高鎳層狀氧化物,，展現(xiàn)出巨大的產業(yè)化應用潛力。
圖1 （a）SADU技術流程示意圖,；（b）修復后NCM523和商業(yè)正極材料在全電池中的容量衰減曲線,；（c）SADU技術的經(jīng)濟分析；（d）基于傳統(tǒng)技術和SADU技術再生LIBs的試劑消耗與溫室氣體排放量對比
綜上所述,，研究團隊成功開發(fā)了一種表面預處理輔助升級修復技術,，有效攻克了高度退化層狀材料難以直接修復的技術難題，并充分驗證了該技術的可行性,、可靠性和普適性,。通過選擇性去除材料表面的惰性類巖鹽相，并優(yōu)化其微觀形貌,，該技術顯著提升了修復過程中的補鋰效率以及材料的循環(huán)穩(wěn)定性,。此外，該技術所涉及的酸蝕刻和固態(tài)燒結工藝,，已在當前電池材料生產中廣泛應用,，無需額外開發(fā)新設備即可實現(xiàn)快速工業(yè)化應用，產業(yè)化應用潛力巨大,。
文章鏈接： https://doi.org/10.1002/adma.202419872,。
附作者簡介：
黃清榮，北京理工大學材料學院2021級博士研究生,，師從李麗教授,，主要從事高比能LIBs材料設計與低碳綠色回收研究，研究方向為鋰離子電池失效分析,、材料改性,、資源化再利用等多學科交叉基礎研究及應用研究。在Advanced Materials,、Energy Storage Materials,、Science Bulletin、Materials Today等期刊發(fā)表學術論文10余篇,，申請發(fā)明專利4項,，參編學術專著2部。
李 麗,，北京理工大學教授,，博士生導師。國家級領軍人才,，英國皇家化學學會會士等,。長期從事新型綠色二次電池關鍵材料設計,、廢舊電池回收處理與資源化利用，綠色二次電池衰減機理與智能診斷等研究開發(fā),。
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