“一石三鳥”實(shí)現(xiàn)廢舊鈷酸鋰電池正極材料“再生”

近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員張?jiān)葡肌⒑輲煼秾W(xué)院副教授韓苗苗等通過(guò)一種簡(jiǎn)單的“一石三鳥”固相燒結(jié)策略，可以有效地將廢舊鈷酸鋰電池正極材料回收升級(jí)為高性能的高壓鈷酸鋰正極材料。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《先進(jìn)能源材料》。

鋰離子電池具有高能量密度、長(zhǎng)壽命、低成本、低自放電等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車、電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域。作為一種典型的鋰離子電池正極材料，鈷酸鋰由于固有的高能量密度以及方便大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式電子器件中占據(jù)主導(dǎo)地位。

據(jù)了解，全世界每年廢棄的便攜式電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的廢舊鋰離子電池超過(guò)10萬(wàn)噸，如果處理不當(dāng)，將造成嚴(yán)重的環(huán)境危害和金屬資源的巨大浪費(fèi)。隨著人們對(duì)電池能量密度需求不斷增加，提升截止電壓成為提高能量密度最有效的策略之一。因此，如果將廢舊鈷酸鋰回收再生為高壓鈷酸鋰，不僅實(shí)現(xiàn)了金屬資源的可持續(xù)利用，還順應(yīng)了高壓鈷酸鋰正極材料的發(fā)展趨勢(shì)。

傳統(tǒng)的回收技術(shù)主要以火法冶金和濕法冶金為基礎(chǔ)，提取有價(jià)金屬成分制備相應(yīng)的前驅(qū)體。然而，這兩種工藝缺乏經(jīng)濟(jì)可行性和環(huán)境友好性。因此，急需探索一種綠色、節(jié)能、無(wú)損的鋰離子電池直接再生策略。

在此次研究中，研究人員采用一鍋固相燒結(jié)法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)成分/結(jié)構(gòu)缺陷修復(fù)、外表面重建以及元素?fù)诫s三重效應(yīng)耦合，達(dá)到“一石三鳥”的功效，將廢舊鈷酸鋰升級(jí)為高壓鈷酸鋰正極材料。所得到的高壓鈷酸鋰正極材料在截止電壓4.5伏特時(shí)，容量為188.2毫安時(shí)每克；且該材料具有優(yōu)異的循環(huán)性能，100圈循環(huán)后的容量保持率為92.5%，300圈后容量保持率為86.4%。

同時(shí)，來(lái)自不同廠家或不同失效程度的廢舊鈷酸鋰正極材料均可有效地升級(jí)為高性能的高壓鈷酸鋰正極材料，證實(shí)了這種“一石三鳥”的固相燒結(jié)策略具有通用性。此外，研究人員采用原位X射線衍射和密度泛函理論計(jì)算等方法，探討了充放電過(guò)程中材料內(nèi)在的結(jié)構(gòu)演變和潛在的再生機(jī)理。

研究人員稱，該工作有望為廢舊鋰離子電池回收再生和具有長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性的高能量密度電池升級(jí)再造提供新思路。