研究概述

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種針對退役電動汽車鋰電池正極材料的有效直接再生策略。通過分鐘級別的水基預(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

隨著電動汽車的普及和能源存儲需求的增長，對鋰離子電池（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，這種增長對關(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對環(huán)境和人類健康也構(gòu)成威脅，因?yàn)樗鼈兒杏卸境煞帧鹘y(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)過長期使用和充放電循環(huán)后的電池時(shí)。盡管已經(jīng)識別出組成和結(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，但對于經(jīng)過長期使用（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、長期循環(huán)測試、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汽車鋰電池正極材料提供了一種可行的解決方案，這對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。