废旧锂离子电池直接再生研究取得进展

发表时间:2023-08-25 17:44

最近,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所在废旧钴酸锂电池的直接再生方面取得了令人瞩目的创新进展。通过一项简称为“一石三鸟”的固相烧结策略,研究团队成功将废弃的钴酸锂(D-LCO)电池转化为性能卓越的高压钴酸锂正极材料(MNS-LCO),在能源领域迈出了重要的一步。相关研究成果近日发表在著名期刊《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)上。


锂离子电池以其高能量密度、长寿命、低成本以及广泛应用于便携电子设备、电动汽车和电网储能等领域的特点而备受瞩目。其中,钴酸锂因其高能量密度和便于大规模生产的特性,被广泛用于便携式电子设备中。然而,全球每年废弃的便携电子产品中会产生超过10万吨的废旧锂离子电池,不当处理将导致严重的环境问题和有价值的金属资源浪费。与此同时,随着对电池能量密度需求的不断增加,提升电池的截止电压成为提高能量密度最有效的途径之一。因此,将废弃的钴酸锂再生为高压钴酸锂材料,不仅能够实现金属资源的可持续利用,还能满足高压钴酸锂材料的发展需求。


传统的电池回收技术主要基于火法冶金和湿法冶金,用以提取有价金属成分制备前驱材料。然而,火法冶金涉及高温还原煅烧和钴酸锂的分解,消耗大量能源。湿法冶金采用酸浸替代高温还原,但高酸浓度和还原试剂的使用增加了操作成本,同时也会产生二次污染。总体而言,传统回收技术在经济和环保方面存在局限性。因此,迫切需要开发绿色、节能、无损的锂离子电池直接再生方法。


基于此,研究团队提出了创新的“一石三鸟”固相烧结方法,利用碳酸锂、硫脲和乙酸锰作为锂源和掺杂剂,通过成分/结构缺陷修复、外表面重建和元素掺杂等三重效应,将废弃的钴酸锂电池升级为性能优越的高压MNS-LCO正极材料。通过修复废旧钴酸锂中的成分/结构缺陷、控制表面晶格氧逸出和结构畸变等问题,确保再生的MNS-LCO在电化学性能上超越未受损的钴酸锂材料。在截止电压为4.5 V、电流倍率为0.2 C的条件下,MNS-LCO的容量达到188.2 mAh/g;在电流倍率为0.5 C时,它表现出优异的循环性能,经过100次循环后容量保持率为92.5%,经过300次循环后容量保持率为86.4%。此外,来自不同厂家或不同失效程度(Li/Co比)的废旧钴酸锂正极材料均能成功升级为高性能锂离子电池,证实了“一石三鸟”固相烧结策略的通用性。研究还通过原位XRDDFT理论计算等方法,探究了充放电过程中材料内在结构的演变和潜在再生机理。


这项研究有望为废旧锂离子电池的回收再生和升级再造,提供具有长期循环稳定性的高能量密度电池的新思路。

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