阿尔伯塔大学Wang Xiaolei Carbon Energy： 镍锰共掺杂升级回收钴酸锂正极

Upcycling of spent LiCoO₂ cathodes via nickel‐ and manganese‐doping

Nianji Zhang, Wenjing Deng, Zhixiao Xu, Xiaolei Wang*

Carbon Energy

DOI: 10.1002/cey2.231

#

研究背景

随着锂电池在便携式电子产品和电动汽车中的大规模普及与应用，锂电正极回收成为保障电池产业供应链以及解决废旧电池的环境与安全隐患的必要途径。相比于火法和湿法冶金，直接回收拥有低成本、低能耗、低温室气体排放的优点。然而，直接回收旨在修复正极材料在循环过程中产生的缺陷和相变，以求再生正极能够达到或接近于其初始性能。同时由于回收的滞后性，直接回收所产出的再生材料难以满足目前的市场需求。因此，迫切需要在直接回收的基础上开发一种可以提高再生材料性能表现的回收手段。

#

研究内容

阿尔伯塔大学Wang Xiaolei教授团队通过改进常用的水热补锂-高温处理(HT-SA)两步直接回收方法，在商业钴酸锂正极材料上实现了Ni-Mn共掺杂以提高充放电性能的新型升级回收策略。该成果以“Upcycling of spent LiCoO₂ cathodes via nickel‐ and manganese‐doping”为题发表在Carbon Energy上。

#

本文亮点

(1)在HT-SA直接回收的基础上，开发了一种Ni-Mn共掺杂的钴酸锂升级回收方法。

(2)5% Ni-Mn掺杂的钴酸锂材料在4.35 V截止电压和1 C (140 mA g^-1)放电电流下，展现了约160 mAh/g的放电容量，100圈循环容量保持率91.2%，远高于原始正极（相同条件下其放电容量为124 mAh/g，100圈保持率为89.05%）。

#

图文解析

1. 通过在传统水热补锂-高温处理的引入Ni-Mn掺杂，这种方法避免了湿法冶金低能量效率的缺点，同时也继承了直接回收的低成本、低能耗、绿色可持续的优点。

图1. 工艺流程：(A) 湿法冶金、(B) 直接回收和 (C) Ni-Mn共掺杂升级回收方法。

2. XRD和XPS测试结果显示：Ni-Mn共掺杂升级回收方法成功修复了层状钴酸锂的晶体结构。

图2. XRD和XPS测试。

3. 利用SEM、FIB-STEM等分析技术证实：1.回收后的钴酸锂颗粒表面光滑，原本残留的碳等杂质已消失；2.升级回收后的颗粒内Ni-Mn掺杂均匀。

图3.回收前后钴酸锂的颗粒形貌表征。

图4. Ni-Mn共掺杂升级回收的钴酸锂FIB切片-STEM测试。

4. 在半电池充放电测试中，升级回收的钴酸锂材料展现了远优于原始材料的性能；相比于单纯的直接回收如仅用HT-SA处理或仅用与Li盐高温煅烧(Solid-state sintering)等方法，Ni-Mn共掺杂的优势体现在提供钴酸锂材料在4.35 V高压条件下优异的稳定性。

图5. 半电池电化学性能测试。

5.进一步的电化学性能测试证实升级回收的材料其电化学表现优于原始材料。

图6.CV和EIS等电化学性能测试。

#

总结

通过对HT-SA直接回收方法的改进，Ni-Mn共掺杂成功展示了一种能提高再生钴酸锂材料性能的升级回收手段。Ni-Mn元素在锂电产业亦有较大的应用，其引入并不会对通过冶金方法回收元素造成较大影响。本研究为回收锂电正极材料提供了一种绿色、简便的方法。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文

论文标题：

Upcycling of spent LiCoO₂ cathodes via nickel‐ and manganese‐doping

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.231

DOI:10.1002/cey2.231

往期推荐

点击“阅读原文”，查看文章原文