直接回收技術(shù)具有經(jīng)濟效益和環(huán)境友好性，被認為是下一代廢舊鋰離子電池回收技術(shù)。對于廢層狀氧化物正極材料，顆粒表面附近不可逆的向巖鹽結(jié)構(gòu)的相變阻礙了鋰離子的再嵌入，從而阻礙了鋰補償過程完全恢復(fù)成分缺陷和修復(fù)失效結(jié)構(gòu)。本研究引入了一種過渡金屬氫氧化物前驅(qū)體，利用其在退火過程中產(chǎn)生的表面催化活性將巖鹽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為層狀結(jié)構(gòu)，為鋰離子提供快速遷移途徑。材料修復(fù)和合成過程共享相同的加熱程序，使廢陰極和添加的前驅(qū)體經(jīng)歷拓撲轉(zhuǎn)變，形成目標層狀氧化物。這種再生材料表現(xiàn)出優(yōu)于商用陰極的性能，在1.3 Ah的袋狀電池中循環(huán)1000次后仍能保持其初始容量的88.4%。技術(shù)經(jīng)濟分析強調(diào)了表面催化修復(fù)相對于火法和濕法修復(fù)的環(huán)境和經(jīng)濟優(yōu)勢，表明其具有實際應(yīng)用的潛力。
圖1. 直接修復(fù)和可控硅的效果。(a)直接修理和SCR工藝示意圖。(b)異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸附/解吸O
2、OH
-和釋放ROS的過程示意圖。(c)巖鹽NiO轉(zhuǎn)化前后鋰離子輸運路徑由封閉到開放的變化過程示意圖。(d)兩種不同修復(fù)方法的鋰補給過程有限元模擬。
圖2: 直接修復(fù)與SCR工藝的比較。（a,b） SCR和直接修復(fù)SNCM的TG和DTG曲線。(c)加熱條件下鋰鹽的轉(zhuǎn)化，由于表面催化作用，非均相結(jié)構(gòu)促進了鋰鹽的轉(zhuǎn)化（對于SCR初始轉(zhuǎn)化溫度低于430℃）。(d)加熱過程中記錄的•O
2 -和•OH自由基的EPR譜 (e)超氧自由基和羥基自由基的含量。(f)兩個直接回收過程關(guān)鍵步驟的自由能。(g)不同溫度下RDS能壘。(h) SCR過程不同階段樣品的非原位o1s XPS光譜。(i) SCR過程的原位x射線衍射（XRD）圖。(j)異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化表面巖鹽相去除活性氧示意圖。(k) SCR過程的原位SEM圖像
圖3. SNCM的表面重建。(a) SNCM、NCM-DR和NCM-SCR的XRD數(shù)據(jù)的Rietveld細化。
（b,c） SNCM和NCM-SCR的HRTEM圖像和相應(yīng)的FFT圖像。(d) SNCM、NCM-DR和NCM-SCR的Ni 2p的XPS光譜。(e) SNCM、NCM-DR和NCM-SCR材料的組成、結(jié)構(gòu)和元素價的關(guān)鍵參數(shù)比較。(f) DR和SCR工藝對材料結(jié)構(gòu)的修復(fù)作用示意圖。
圖4. SNCM、NCM-DR、NCM-SCR和CNCM的電化學(xué)性能。(a)半電池試驗中的恒流充放電曲線。(b)能力恢復(fù)效果比較。(c)四種材料在0.5 c時的循環(huán)性能。(d)四種材料的速率性能比較。(e)掃描速率為0.1 mV/s時四種材料的第一循環(huán)伏安曲線。(f)峰值電流密度隨掃描速率平方根的函數(shù)圖。(g) NCM-DR和NCM-SCR的電化學(xué)性能參數(shù)比較。(h)兩種修復(fù)方法的電化學(xué)性能影響機理示意圖。
圖5.應(yīng)用性能及技術(shù)經(jīng)濟分析。(a) NCM-SCR//Gr袋狀電池的循環(huán)性能。(b)與報道的基于再生層狀正極材料的全電池容量損失比的比較。(c)無人機由再生NCM523制成的袋狀細胞驅(qū)動。(d)比較不同回收過程的利潤。(e)比較不同回收過程的能源消耗、水消耗和溫室氣體排放。
相關(guān)研究成果由清華大學(xué)深圳國際研究生院
Bo Li 、Guangmin Zhou和深圳先進技術(shù)研究院
Hui-Ming Chen等人2024年發(fā)表在Journal of the American Chemical Society (鏈接: https://doi.org/10.1021/jacs.4c10107)上。原文：
Surface Catalytic Repair for the Efficient Regeneration of Spent Layered Oxide Cathodes
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
