哈尔滨工业大学张嘉恒教授团队：废旧磷酸铁锂“浴火再生”

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文章导读

随着各国碳中和目标的提出，新能源汽车产业得到了非常迅速的发展，锂离子电池的报废量也迅速增加。而废旧电池材料的高效回收利用是电池工业可持续发展的关键，近些年来受到广泛关注。目前研究主要采用湿法冶金、火法冶金等技术对正极材料中有价金属（如Co、Ni、Li）的进行回收。然而，通过该方法得到的是电池原材料，回收过程漫长。而且分离出性质相近的金属元素难度较大，成本也比较高。显然，有必要研究新的回收方法来简化分离步骤、降低经济成本，使废旧锂离子电池在较低的成本下能够得到处理并创造价值。

近期，哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院的张嘉恒教授课题组在Industrial Chemistry & Materials上发表了题为“采用喷雾干燥大规模直接固相再生碳包覆磷酸铁锂”的研究论文，采用包括均质化处理、喷雾干燥和碳热还原三个步骤的直接固相再生工艺对废旧磷酸铁锂电池进行固相再生处理。再生碳包覆磷酸铁锂具有良好的晶格结构，表面碳包覆层厚度约为3 nm。再生磷酸铁锂表现出十分优异的电化学性能，在0.1 C条件下的放电比容量超过160 mAh g^-1，在1 C倍率下循环800次仍能保持约80%的放电比容量，具有较好的循环性能。同时，采用此方法再生1吨磷酸铁锂的材料成本大约72339元，是常规固相法合成磷酸铁锂材料成本的51.02%。该再生方法操作简单，节约资源，再生磷酸铁锂电化学性能优异，具有良好的应用前景。

图文摘要

研究亮点

提出了一种包括均质处理、喷雾干燥和碳热还原三个步骤的的废旧磷酸铁锂电池闭环回收再生工艺。

该再生工艺对于不同衰减程度的废旧磷酸铁锂材料具有一定的普适性。

再生的LFP@C表现出良好的材料性质与优秀的电化学性能，再生效果显著。

图文解读

1. 废旧磷酸铁锂再生过程

图1展示了废旧磷酸铁锂的再生过程。首先将电池拆解后得到的废旧磷酸铁锂黑粉进行均质处理，将黑粉于800℃空气中焙烧150分钟，以完全去除剩余的电解质、粘合剂、碳黑等杂质。取适量经过上述均质处理后的样品加入少量碳酸锂作为锂源和抗坏血酸作为碳源配制成水溶液。通过喷雾干燥将水分去除并且得到具有空心球壳的前驱体。最后将喷雾干燥得到样品于650℃氮气气氛中进行碳热还原，得到碳包覆的磷酸铁锂。

图1. 废旧磷酸铁锂固相再生流程图

2. S-LFP与R-LFP的物相分析和微观形貌

通过X射线衍射分析了S-LFP、Homo-LFP和R-LFP的相组成，可以看出S-LFP中存在着少量的杂质峰，Homo-LFP主要由Fe₂O₃和Li₃Fe₂(PO₄)₃两相组成。R-LFP的只观察到LiFePO₄相。使用扫描电镜观察各样品的微观形貌，S-LFP样品晶粒破碎且存在大的团聚。均质化处理后的样品颗粒规则，且大的团聚消失。喷雾干燥后的样品具有空心球状结构，且各原料混合均匀。R-LFP样品保持了空心球壳的二次结构。从透射电镜中可以看出R-LFP的微观结构规则，具有很高的结晶度，测量的晶面间距为0.348 nm，对应于磷酸铁锂的（111）晶面。在颗粒表面可以观察到厚度约为3 nm的碳包覆层。通过EDS能谱仪观察到R-LFP样品中P、Fe元素的分布均匀。  

图2. 样品的物相分析和微观形貌。(a) S-LFP (b) Homo-LFP和R-LFP的XRD图; (c) S-LFP，(d) Homo-LFP，(e) 喷雾干燥后的LFP和 (f) R-LFP的SEM图像；(g, h) R-LFP的TEM图像；(i, j) R-LFP的HAADF-STEM图像和元素分布

3. 表层元素价态分析与碳包覆层石墨化程度分析

使用X射线光电子能谱对各样品表层元素价态进行分析。在S-LFP中，C-O-C与C-C的峰面积比值为0.44。而在R-LFP中，这个比值是0.21，这表明R-LFP在碳层中的缺陷较少。在S-LFP中，Fe³⁺与Fe²⁺峰面积比值为0.67，而在R-LFP中为0.53，表明再生样品中的Fe³⁺杂质较少。通过拉曼光谱进一步分析样品中碳的石墨化程度。废旧磷酸铁锂中D峰与G峰比值为1.40，而在再生磷酸铁锂中该比值为1.11，表明再生样品的石墨化程度较高。而经过均质处理后的样品中没有发现D峰与G峰的存在，均质处理过程中已经将原有的碳彻底去除，为后续再生工艺提供一个良好的条件。

图3. 样品的XPS和拉曼光谱。(a) 样品的XPS全谱；(b) C 1s和 (c) Fe 2p的精细谱；(d)样品拉曼光谱

4. 电化学性能测试

电化学性能测试表明R-LFP有着远优于S-LFP的电化学性能。R-LFP样品在循环伏安曲线中的氧化还原电位差为0.292 V，电化学阻抗谱测试中Rs值为1.86 Ω，Rct值为81.61 Ω。R-LFP样品在0.1 C条件下的放电比容量超过160 mAh g^-1，在1 C条件下经过800次循环后保持了大约80%的放电比容量，并且库仑效率稳定地稳定在100%附近。再生的磷酸铁锂表现出优异的电化学性能，能够满足工业上对再生磷酸铁锂的要求。

图4. S-LFP和R-LFP的电化学性能。(a) S-LFP和 (b) R-LFP的CV曲线；(c) R-LFP和S-LFP的Nyquist图；(d) S-LFP和(e) R-LFP在不同倍率下的充放电曲线；(f) S-LFP与R-LFP样品的倍率性能；(g) S-LFP和R-LFP的循环稳定性；(h) R-LFP多次循环后的充放电曲线

总结与展望

综上所述，作者提出一种包括均质处理、喷雾干燥和碳热还原的废旧磷酸铁锂再生工艺。通过XRD、SEM、TEM、XPS以及Raman对再生磷酸铁锂进行相关分析，其具有空心球壳的结构，表面存在大约3 nm的碳包覆层，并且Fe³⁺的含量更低，石墨化程度高。同时，再生磷酸铁锂表现出十分优异的电化学性能，其在充放电过程中极化程度低，同时具有较低的Rs与Rct值，反应的动力学条件较优。再生磷酸铁锂样品在0.1 C条件下的放电比容量超过160 mAh g^-1，在1 C倍率下循环800次仍能保持约80%的容量，具有较好的循环性能。采用该固相再生工艺，能够满足工业中对再生磷酸铁锂的使用要求，具有较大的实际应用价值。

撰稿：原文作者

排版：ICM编辑部

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https://doi.org/10.1039/D2IM00007E

本文内容来自哈尔滨工业大学张嘉恒教授团队发表在Industrial Chemistry & Materials的文章：Large-scale direct regeneration of LiFePO₄@C based on spray drying

作者简介

通讯作者

张嘉恒，教授，博士生导师。2012起分别作为项目研究员助理和博士后研究员在美国Office of Naval Research(ONR)-University of Idaho从事研究，合作导师为含能材料领域世界知名专家Jean’ne M. Shreeve 教授。2015-2017年入选日本学术振兴会（JSPS）研究员在日本横浜国立大学从事研究，师从世界知名离子液体和电化学专家Masayoshi Watanabe教授，2017年6月起，全职回国并被聘为哈尔滨工业大学深圳研究生院教授。张嘉恒承担及参与了包括美国海军研究署、中国重点基础研究发展计划、日本学术振兴会和深圳市科创委资助的多个基础研究项目以及法国欧莱雅基团、日本花王株式会社、日本日清紡等企业资助的多个产学研项目，主持了日本学术振兴会的军转民项目一项，回国后主持了军委装发部X86的外协项目一项。入选2021年全球前2%顶尖科学家榜单。

主要研究方向：1）生物医药材料的制备与应用；2）化学材料的模拟、仿真与计算；3）生物相容储能器件的开发与应用；4）离子液体软性功能材料的生物应用；5）航天推进燃料及含能材料的设计与制备。

近年来共发表SCI论文120余篇，其中影响因子10以上的30余篇，包括J. Am. Chem. Soc. (7篇，5篇为第一作者), Angew. Chem. Int. Ed. (6篇，4篇为第一作者/通讯作者)，Chem. Rev. (共同第一作者1篇)及Nature. Commun.(共同第一作者)，共以第一作者/通讯作者身份发表SCI研究论文40余篇，论文总影响因子之和大于450，论文他引次数5000余次，h指数为42，三篇J. Am. Chem. Soc. (第一作者)及一篇Daltron Trans. (第一作者）文章入选ESI高引论文(含能材料领域全球仅13篇ESI高引论文)。Email: [e-mail]

第一作者

邹永兴，哈尔滨工业大学（深圳），研究生。研究课题：废旧锂离子电池正极材料的修复再生。

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期刊简介

Industrial Chemistry & Materials (ICM) 是中国科学院主管，中科院过程工程研究所主办，英国皇家化学会（RSC）全球出版发行的Open Access英文期刊，由中科院过程工程研究所张锁江院士担任主编。ICM 以化学、化工、材料为学科基础，以交叉为特色，以应用为导向，重点关注工业过程中化学问题、高端材料创制中过程科学的国际前沿和重大技术突破，致力于打造国际学术交流平台，成为具有重大国际影响力、引领工业化学与材料学科发展的国际一流期刊。ICM 现已开通全球投稿，目前对读者作者双向免费，欢迎广大科研工作者积极投稿、阅读和分享！

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