“一石三鸟”实现废旧钴酸锂电池正极材料“再生”

本报讯(记者王敏)近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员、湖州师范学院副教授韩采用简单的“一石三鸟”固态烧结策略，可将废旧钴酸锂正极材料有效回收升级为高性能高压钴酸锂正极材料。近日，相关研究成果发表在《先进能源材料》上。

锂离子电池具有能量密度高、寿命长、成本低、自放电小等特点，广泛应用于便携式电子产品、电动汽车、电网级储能系统等领域。作为锂离子电池的典型正极材料，钴酸锂因其固有的高能量密度和便于大规模生产而在便携式电子设备中占据主导地位。

据了解，全球每年有超过10万吨的废旧锂离子电池产生于废弃的便携式电子产品中。如果处理不当，会造成严重的环境危害和巨大的金属资源浪费。随着对电池能量密度需求的增加，提高截止电压成为提高能量密度最有效的策略之一。因此，如果将废旧钴酸锂回收制成高压钴酸锂，不仅实现了金属资源的可持续利用，也符合高压钴酸锂正极材料的发展趋势。

传统的回收技术主要以火法冶金和湿法冶金为主，提取有价金属成分制备相应的前驱体。然而，这两种方法缺乏经济可行性和环境友好性。因此，迫切需要探索一种绿色、节能、无损的锂离子电池直接再生策略。

在这项研究中，研究人员采用一锅固相烧结法，同时实现了成分/结构缺陷修复、外表面重构和元素掺杂的三重效应耦合，达到了“一石三鸟”的效果，将废旧钴酸锂升级为高压钴酸锂正极材料。截止电压为4.5伏时，所得高电压钴酸锂正极材料的容量为188.2 mAh。该材料具有优异的循环性能，100次循环后容量保持率为92.5%，300次循环后容量保持率为86.4%。

同时，可以将不同厂家或不同失效程度的废旧钴酸锂正极材料有效升级为高性能的钴酸锂正极材料，证明这种“一石三鸟”的固态烧结策略具有普适性。此外，研究人员利用原位X射线衍射和密度泛函理论计算，探索材料在充放电过程中的内部结构演化和潜在再生机制。

研究人员表示，这项工作有望为废旧锂离子电池的回收利用以及具有长期循环稳定性的高能量密度电池的升级和回收利用提供新思路。

相关论文资料:https://doi.org/10.1002/aenm.202302058.