UCSD陈政教授Joule| 废旧锂离子电池高效再生：磷酸铁锂正极材料的靶向修复

文章信息

靶向修复用于高效直接回收锂离子电池正极

第一作者：徐盼盼

通讯作者：陈政

单位：加州大学圣地亚哥分校

研究背景

橄榄石型磷酸铁锂由于其较高的热稳定性，长的循环寿命和低廉的成本，已经成为锂离子电池最广泛使用的正极材料之一。目前在电动公交车和电网储能中占主导地位。5-10年后，这些电池会进入报废期。

废旧的电池的高效回收不仅可以实现电池材料的可持续性，避免自然资源的过渡开采，还可以减少电池报废物处理带来的环境污染。

但是，目前回收技术（干法回收和湿法回收）成本过高，并不适合不含贵金属（镍和钴）的正极材料，如磷酸铁锂，锰酸锂。因此，急需开发一种高效，环保，低成本的锂离子电池回收方法。

文章简介

近日，来自加州大学圣地亚哥分校的陈政教授，在国际知名期刊Joule（影响因子：29.1）上发表题为“Efficient Direct Recycling of Lithium-Ion Battery Cathodes by Targeted Healing”(DOI:10.1016/j.joule.2020.10.008) 的文章。

该文章 报道了一种在60至80摄氏度和环境压力下，通过缺陷的精准靶向修复， 成功实现了磷酸铁锂正极材料的再生。与目前的回收技术相比，这种方法耗能可以减少80%-90%，排放的温室气体也降低到现有技术的25%。

本文要点

要点一：揭示磷酸铁锂正极材料的衰减机理

通过先进的表征，发现长期的循环使用后，正极会经历两个重要的结构变化（图1），导致性能下降。首先是活性锂离子的损失，这会在正极结构中形成锂离子空位缺陷（M1）。其次，晶体结构中的铁离子会迁移到锂离子空位中，形成反位缺陷(Fe/Li)，严重阻碍锂离子在正极材料中的扩散。

图1. 循环后的磷酸铁锂的结构示意图

要点二：通过靶向修复，再生磷酸铁锂正极材料

通过引入柠檬酸，可有效地将Fe3+还原至Fe2+, 降低了Fe2+从锂位置迁移至原始位置（M2）的能垒，从而有效修复正极材料中的反位缺陷。同时，三价铁离子的还原还可以驱动锂离子向正极材料中扩散，修复锂空位缺陷。修复后的磷酸铁锂正极材料的微观结构如图2a所示。再经过快速退火，再生后的磷酸铁锂体现出与原始材料相同的比容量，并在循环1000次后，几乎没有衰减（图2b）。

图3. 再生后的磷酸铁锂的微观结构和电化学循环性能图

要点三：评估该回收方法的环境影响和经济效益

与需要极高温度（>1000 摄氏度）的干法回收和需要大量化学试剂（强酸，强碱等）的湿法回收相比，针对缺陷的直接回收工艺只需要低浓度的锂盐、绿色和低成本的还原剂、氮气和水。该方法可以显著减少能源消耗和温室气体排放，如图3a。而且回收的正极材料产物可直接用于新电池制造，创造更高的经济效益。相比之下，干法和湿法回收中得到的产物是前驱体化合物，其价值无法弥补高昂的回收成本 （图3b）。

图3. 干法回收（Pyro）, 湿法回收 （Hydro）以及直接回收方法每回收1 kg 废旧电池的能耗，温室气体释放量，需要的成本以及获得的收益

要点四：前瞻

该研究中提出的直接再生的回收方法具有普适意义，对回收条件稍做修改就可以推广到其他锂离子电池正极材料的回收，例如锰酸锂电池。这项研究证明了通过合理的设计，无贵金属正极材料的回收，同样可以创造经济效益，这在锂离子电池回收领域是一个重大突破，可以更有效地解决废旧锂离子电池对环境的污染。但该方法依赖于正极材料和其他电池成分以及不同正极材料的有效分离， 而且大量废旧锂离子电池的收集以及运输也存在安全隐患，所以整体的回收流程还需要进一步优化。

文章链接

Efficient Direct Recycling of Lithium-Ion Battery Cathodes by Targeted Healing

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(20)30494-3

通讯作者介绍

陈政 教授

2007年本科毕业于天津大学化学工程专业，博士师从加州大学洛杉矶分校卢云峰教授，随后在斯坦福大学化学工程系与材料科学与工程系从事博士后研究工作（导师：鲍哲南教授，崔屹教授）。2016年加入加州大学圣地亚哥分校，现为纳米工程系助理教授。长期从事储能与催化材料的研究和开发，超低温电池，锂离子电池回收以及电池安全设计。至今已经获得了NASA的2018早期职业教师奖，2018年的LG Chem全球电池创新大赛（BIC）奖以及2018 ACF PRF新研究者奖。以通讯作者或第一作者身份在Nature Energy, Nature Nanotechnology, Joule, Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Nano Letters 等学术刊物上发表研究论文70多篇。

第一作者介绍

徐盼盼 博士

2013年本科毕业于哈尔滨工程大学化学工程与工艺专业，2018年于该校取得材料科学与化学工程专业博士学位。2016年至2018年，以访问学者身份加入加州大学河滨分校殷亚东教授课题组，从事纳米材料可控合成的研究。随后，在加州大学圣地亚哥分校陈政教授课题组从事博士后研究工作，主要研究方向为锂离子电池回收以及高比能电池材料的研发。至今，以第一作者及通讯作者发表SCI论文20余篇。

课题组介绍

课题组主页https://zhengchen.eng.ucsd.edu/home

完