近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所與清華大學(xué)深圳國際研究生院和蘇州工學(xué)院合作，在退役磷酸鐵鋰正極再生利用領(lǐng)域取得新進(jìn)展，提出了一種體相/表面一體化修復(fù)策略，實現(xiàn)再生退役動力電池磷酸鐵鋰正極。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Materials上。
作為新能源汽車的關(guān)鍵和核心部件，鋰離子電池的使用和消耗近年來增長迅猛。隨之而來的大規(guī)模鋰離子電池退役潮，將導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源問題，因此亟需開發(fā)退役鋰離子電池高效回收再利用技術(shù)。傳統(tǒng)的鋰離子電池回收方法主要包括濕法冶金和火法冶金兩種，這兩種方法只能從退役鋰離子電池正極材料中提取有價金屬元素，而對只含單一有價金屬元素的退役磷酸鐵鋰正極而言，此類回收方式并不具備經(jīng)濟(jì)性。另外，冶金法回收退役電池材料能耗巨大、流程繁瑣，并存在二次污染的風(fēng)險。相對來說，通過直接修復(fù)技術(shù)實現(xiàn)退役磷酸鐵鋰電池的再生利用更高效、更節(jié)能，在退役鋰離子電池回收領(lǐng)域具有更高的經(jīng)濟(jì)性和可行性。
基于此，研究人員采用天然提取的茶多酚作為電子供體，利用其羥基電子供體與補(bǔ)充鋰鹽的共同作用，不僅將退役磷酸鐵鋰中衰退的FePO4相高效轉(zhuǎn)化為LiFePO4，還可以有效減少材料中的有害Li-Fe反位點缺陷，進(jìn)而實現(xiàn)退役磷酸鐵鋰材料在成分和結(jié)構(gòu)上的修復(fù)，并重建Li+的快速擴(kuò)散通道。同時，針對退役磷酸鐵鋰材料顆粒表面碳層的破損缺失問題，與通常無選擇性地重新引入碳源構(gòu)建新碳層的方法不同，研究人員通過在修復(fù)材料時引入Al源，利用磷酸鋁與磷酸鐵鋰優(yōu)先結(jié)合的特性，精準(zhǔn)地在碳層破損、磷酸鐵鋰裸漏處形成由非晶AlPO4和Li3PO4晶粒復(fù)合的定向填補(bǔ)涂層，實現(xiàn)對退役磷酸鐵鋰表面破損碳層的靶向修補(bǔ)；涂層中的非晶AlPO4和Li3PO4快離子導(dǎo)體還可與殘存的碳層在活性材料表面重構(gòu)電子、離子雙快速傳輸通道，有利于提高再生后磷酸鐵鋰的倍率性能。此外，引入的部分Al元素還會摻雜到LiFePO4體相中，在不影響磷酸鐵鋰正極材料能量密度的前提下，提升了活性材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有效抑制鐵離子再遷移，從而延長了磷酸鐵鋰正極的使用壽命。
該工作為退役動力鋰離子電池的回收再利用提供了新思路。合肥物質(zhì)院博士研究生劉圓圓為論文第一作者，合肥物質(zhì)院固體所趙邦傳研究員、白金特任副研究員，清華大學(xué)深圳國際研究生院周光敏副教授及蘇州工學(xué)院楊開帥博士為論文的共同通訊作者。上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院儀器功能開發(fā)項目、安徽省重點研發(fā)計劃、合肥物質(zhì)院院長基金等項目的支持。
文章鏈接：http://doi.org/10.1002/adma.202511246
圖1. 退役磷酸鐵鋰直接修復(fù)再生的機(jī)理示意圖。
圖2. 再生磷酸鐵鋰的綜合結(jié)構(gòu)表征結(jié)果。
圖3. 再生磷酸鐵鋰的靶向修復(fù)與性能提升機(jī)制。
