清华大学 深圳国际研究生院周光敏、成会明团队在锂电回收领域取得系列进展
2024/04/22
686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，我国废弃锂电池将会突破50万吨。巨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，都存在着能耗高、使用酸碱试剂等问题。因此，清华大学深圳国际研究生院周光敏副教授、成会明院士团队着力发展直接回收的思路，并设计方法实现回收方法的闭环化，拓展回收产物的用途，实现回收产物的高值化利用。
团队提出具有最低共熔点的二元锂盐共熔体系，实现高失效程度三元电极材料的直接修复。完全失效的镍钴锰三元材料NCM523（镍钴锰比例5:2:3）经过修复后，容量可提升至与商业材料水平相当，200圈循环后容量保持率仍然有80%以上，可以直接作为电极材料使用。该方法适用性广泛，对NCM111（镍钴锰比例1:1:1）、NCM622（镍钴锰比例6:2:2）、钴酸锂等层状过渡金属氧化物正极材料均适用，具有较大的实际应用前景。
图1.修复正极材料电化学性能
团队构建了电池正负极材料协同回收机制，实现正极、负极材料的同步直接再生。再生后的正极材料，容量大幅提升，使用再生正极与再生负极材料制备的软包电池，其容量与使用商业电极材料的电池基本一致，证明再生材料可直接重新利用。该回收策略实现了锂资源在废电池内部的闭环循环利用，正极材料再生过程不再需要外源性的锂盐添加，同时兼顾了正极材料与负极石墨的再生，经济效益明显提升。
图2.正负极协同回收机制以及正极材料修复机理
团队还探索失效磷酸铁锂的修复，通过使用环境友好的乙醇作为还原剂，以醋酸锂作为锂源对其进行修复。与此同时，通过构建异质界面对磷酸铁锂中铁的d带中心进行调控实现再生磷酸铁锂的长循环，在10C的倍率下循环1000圈容量保持率接近80%。该方法对于回收失效磷酸铁锂实现长寿命循环提供了新思路。
图3.失效磷酸铁锂修复过程和机理
另一方面，研究从废弃锂离子电池中回收Co、Fe与废弃木屑载体结合，设计合成了具有孤立Fe原子位点的CoFe金属间化合物作为锌空气电池正极的催化剂。合成的CoFe/C纳米催化剂表现出良好的氧还原/氧析出双功能催化活性，其性能优于商业化的20% Pt/C催化剂，且价格远低于商业Pt/C催化剂。该方法拓展了回收产物的高值化利用途径。
相关工作以“用于直接回收高失效程度正极的普适性熔融盐”（Adaptable eutectic salt for the direct recycling of highly degraded layer cathodes）、“高效提取负极中的锂，用于废旧锂离子电池正极材料的直接再生”（Efficient Extraction of Lithium from Anode for Direct Regeneration of Cathode Materials of Spent Li-Ion Batteries）、“通过提高Fe的d带中心实现再生磷酸铁锂的长寿命循环”（Long-Life Regenerated LiFePO4from Spent Cathode by Elevating the d-Band Center of Fe）、“回收废弃锂离子电池制备具有孤立铁位点的钴铁金属间化合物调控锌-空气电池的性能”（Isolating Contiguous Fe Atoms by Forming a Co?Fe Intermetallic Catalyst from Spent Lithium-Ion Batteries to Regulate Activity for Zinc?Air Batteries）为题，分别发表在《美国化学会会志》（Journal of the American Chemical Society,JACS）、《美国化学会能源快报》（ACS Energy Letters）、《先进材料》（Advanced Materials）、《美国化学学会纳米》（ACS Nano）上。
成会明、周光敏为上述文章通讯作者。上海交通大学梁正副教授为《美国化学会会志》《美国化学会能源快报》《先进材料》三篇论文的共同通讯作者。清华大学深圳国际研究生院2021级硕士研究生马骏、博士后王俊雄、上海交通大学2019级联合培养博士生贾凯为《美国化学会会志》《美国化学会能源快报》《先进材料》三篇论文的第一作者。清华大学深圳国际研究生院2020级博士后焦妙伦、张祺为《美国化学学会纳米》文章的共同第一作者。电池回收的相关工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金联合基金、清华大学深圳国际研究生院跨学科研究与创新基金等项目的支持。
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