研究概述

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種針對(duì)退役電動(dòng)汽車鋰電池正極材料的有效直接再生策略。通過分鐘級(jí)別的水基預(yù)處理方法，研究人員成功去除了廢舊正極材料表面的殘留污染物，這一創(chuàng)新步驟顯著提高了材料的鋰離子擴(kuò)散率，并恢復(fù)了其電化學(xué)性能，使其與新正極材料相媲美。這項(xiàng)工作不僅為廢舊鋰電池的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)型回收提供了新思路，也為鋰電池回收行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

研究背景

隨著電動(dòng)汽車的普及和能源存儲(chǔ)需求的增長(zhǎng)，對(duì)鋰離子電池（LIBs）的需求急劇上升，預(yù)計(jì)到2030年，全球?qū)IBs的需求將大幅增加。然而，這種增長(zhǎng)對(duì)關(guān)鍵原材料（如鋰和鈷）的供應(yīng)造成了壓力，過度開采高品位礦石和處理低品位礦石可能導(dǎo)致重大的生態(tài)脆弱性和公共健康問題。此外，廢棄的LIBs對(duì)環(huán)境和人類健康也構(gòu)成威脅，因?yàn)樗鼈兒杏卸境煞?。傳統(tǒng)的鋰電池回收方法，如熱/濕法冶金過程，面臨著成本效益、效率和環(huán)境可持續(xù)性的挑戰(zhàn)。因此，直接回收策略應(yīng)運(yùn)而生，它側(cè)重于在電池再生后重新使用LIBs中的有價(jià)值組分，從而減少溫室氣體排放和化學(xué)消耗。直接再生方法在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上已經(jīng)顯示出可行性，但在實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用中仍面臨挑戰(zhàn)，尤其是在處理經(jīng)過長(zhǎng)期使用和充放電循環(huán)后的電池時(shí)。盡管已經(jīng)識(shí)別出組成和結(jié)構(gòu)缺陷（如鋰損失、裂紋、退化相等）是恢復(fù)退化正極電化學(xué)性能的重要障礙，但對(duì)于經(jīng)過長(zhǎng)期使用（如超過250,000英里或8年服務(wù)壽命）的電池，其化學(xué)障礙（尤其是由于長(zhǎng)期使用過程中電池化學(xué)變化引起的障礙）往往被忽視。這些化學(xué)障礙，如殘留在電池正極材料中的電解質(zhì)分解產(chǎn)物，會(huì)阻礙鋰離子的插入，影響電池的再利用和直接再生。因此，如何有效地去除或中和這些化學(xué)障礙，以便實(shí)現(xiàn)鋰電池正極材料的高效直接再生，這對(duì)于提高電池回收的可持續(xù)性、降低成本和減少環(huán)境影響具有重要意義。

圖1：展示了經(jīng)過250,000英里服務(wù)后的鋰離子電池正極材料（S-NCM）的表面殘留物和結(jié)構(gòu)退化。通過掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線衍射（XRD）分析了S-NCM的表面粗糙度和晶體結(jié)構(gòu)，以及通過高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡（HAADF STEM）和X射線光電子能譜（XPS）分析了材料的化學(xué)組成和表面狀態(tài)。

圖2：描述了通過酸溶液預(yù)處理去除殘留物并促進(jìn)直接再生的過程。展示了不同濃度酸溶液對(duì)F 1s XPS峰的影響，以及預(yù)處理后材料的表面形貌和結(jié)構(gòu)變化。還包括了原位XRD圖譜，展示了再生過程中單位晶胞參數(shù)的變化。

圖3：分析了再生后的NCM正極材料（R-S-NCM和R-C-NCM）的化學(xué)和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。通過高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡（HAADF STEM）和能量色散光譜（EDS）元素映射，以及XPS分析了再生材料的表面和結(jié)構(gòu)特性。

圖4：展示了再生NCM正極材料的電化學(xué)性能，包括初始充放電曲線、長(zhǎng)期循環(huán)測(cè)試、倍率性能和電化學(xué)阻抗譜（EIS）。還包括了原位XRD圖譜，分析了首次充放電過程中的晶格參數(shù)變化。

圖5：通過熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模擬，探討了氟化物富集雜質(zhì)在退化NMC正極材料的再利用和直接再生中的作用。展示了鋰離子在不同晶體結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散能壘，以及分子動(dòng)力學(xué)模型中鋰原子的平均平方位移（MSD）和鋰離子擴(kuò)散系數(shù)。

總結(jié)與展望

本研究強(qiáng)調(diào)了在退役鋰離子電池正極材料的直接再生過程中，去除殘留的含氟雜質(zhì)對(duì)于提高電池性能至關(guān)重要。研究團(tuán)隊(duì)通過詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)和理論模擬發(fā)現(xiàn)，這些殘留雜質(zhì)顯著阻礙了鋰離子的擴(kuò)散，而通過凈化這些殘留物，可以恢復(fù)再生正極材料的循環(huán)穩(wěn)定性，使其性能與新正極材料相媲美。本研究提出了一種水基預(yù)處理方法，能夠有效去除這些頑固的殘留物，為實(shí)際應(yīng)用中直接再生退役電動(dòng)汽車鋰電池正極材料提供了一種可行的解決方案，這對(duì)于提高電池回收的可持續(xù)性、降低成本和減少環(huán)境影響具有重要意義。