清华大学深圳国际研究生院成会明、周光敏团队在锂电回收领域取得新进展
2024/04/28
917近日，清华大学深圳国际研究生院成会明院士、周光敏副教授课题组在锂离子电池直接回收与产物功能化领域取得系列成果，为锂离子电池的清洁回收及产物利用提出了新方法和途径。
随着移动电子设备的广泛应用和新能源汽车的爆发式增长，锂离子电池的消耗量与日俱增。预计到2023年，我国废弃锂电池的产量将会突破50万吨。大量的废弃锂电池既是环境污染物，也是宝贵的金属资源。现行的锂离子电池回收方法包括火法、湿法回收等，存在着能耗高、使用酸碱试剂造成二次污染等问题。因此，课题组研究人员着力发展直接回收，并拓展回收产物的用途，实现回收产物的高值化利用。团队开发了一种含锂低共熔溶剂直接修复正极材料的方法以及废弃正极材料原位转化为高性能催化剂的方法。
图1.基于低共熔溶剂的直接回收方法
调配含锂的低共熔溶剂，在常压下可以实现对失效正极材料组分的选择性修复，且全过程不涉及有害试剂和废物的排放，能够明显缩短回收流程并大幅降低排放。再生正极材料的性能与商业化正极材料基本一致，且低共熔溶剂可以循环再利用，大幅降低了回收过程的试剂成本。由于回收过程的缩短、试剂成本以及排放的大幅降低，回收过程的经济性相比于传统的火法、湿法回收大大提高，具有较大的实际应用前景。
图2.再生正极材料的性能与低共熔溶剂的循环利用
图3.基于低共熔溶剂的直接回收方法的经济性分析
图4.废弃电池回收及NiMnCo-AC催化剂制备的工艺流程示意图
开发原位快速热辐射合成方法，从废弃NMC三元正极中回收NiMnCo混合溶液后将其负载到活性炭载体上，经过随后的快速热辐射过程制成NiMnCo-AC纳米催化剂。所合成的NiMnCo-AC催化剂具有良好的ORR/OER双功能催化活性，性能优于商业化的Pt-AC催化剂。DFT计算表明，Ni核诱导了NiMnCoO4壳层中电子结构的重新分布，因此NiMnCoO4壳层为ORR/OER过程提供了有效的活性位点。基于NiMnCo-AC的水系锌离子电池，在电流密度为10mA cm-2的条件下充放电电压差为0.72V，且能够稳定循环200h。将NiMnCo-AC催化剂用于柔性锌空气电池中不仅能够点亮LED，还能够用于手机充电，为其在柔性锌空气电池中的应用带来了前景。
图5.NiMnCo-AC纳米催化剂的电催化性能分析
图6. NiMnCo-AC催化剂在锌空气电池中的电化学性能
相关工作分别以“失效LiCoO2的直接绿色修复再利用于锂离子电池”（Direct and green repairing of degraded LiCoO2 for reuse in lithium-ion batteries）和“回收废三元正极制备锌-空气电池双功能镍锰钴催化剂”（Recycling spent LiNi1-x-yMnxCoyO2cathodes to bifunctional NiMnCocatalysts for zinc-air batteries）为题发表在《国家科学评论》（National Science Review，以下简称“NSR”）和《美国国家科学院学报》（Proceedings of the National Academy of Sciences，以下简称“PNAS”）上。
清华大学深圳国际研究生院成会明教授、周光敏副教授为上述论文通讯作者，上海交通大学梁正副教授为NSR论文共同通讯作者。清华大学深圳国际研究生院2020级博士后焦妙伦、张祺和叶陈良为PNAS论文的共同第一作者，清华大学深圳国际研究生院、上海交通大学联合培养的2020级博士后王俊雄，清华大学深圳国际研究生院2020级博士后张琪、盛进之为NSR论文的共同第一作者。电池回收的相关研究工作得到国家重点研发计划项目、清华深圳国际研究生院跨学科研究与创新基金及钦禾节能环保集团有限公司等项目和单位的支持。
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