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我校教师团队在废旧锂离子电池材料回收领域取得系列研究进展

2024年06月25日

　　近日，物理学院吴兴隆教授团队在《Advanced Materials》等国际著名学术期刊发表废旧锂离子电池材料再利用相关的系列研究论文。锂离子电池已广泛应用于快速发展的电动汽车等领域，在其被使用至寿命终点而变成废旧电池时，进行合理的回收与再利用是一个迫在眉睫的任务。传统的回收方法主要依赖于破坏材料原有结构，从而回收高价值金属元素，在处理过程中往往面临着经济和环境的限制。因此，优先考虑经济效益和可操作性，才能让废旧锂离子电池材料的直接再生利用更具有开发价值。然而，电极材料晶体结构降解或坍塌所带来的不可逆相变，严重阻碍着回收与再利用效率，是再生进程中的重点和难点。同时，不当的储存和处置方式可能导致退役电池材料的进一步失效，使回收再生过程更为复杂化，其中的结构与缺陷修复、非活性相组分消除等科学问题也亟待解决。

　　针对磷酸铁锂（简写为LFP）废旧正极材料回收再生的重点问题，团队利用配位链二乙醇胺（简写为DEA）分子在电化学过程中与Zn2+和Fe3+相互作用的不同，简化废旧LFP的再生过程，通过调整LFP主结构并提升相变可逆性，以配位作用来持续修复LFP中的失效区域，将无法使用的LFP电池修复再生为长循环稳定的LFP电池。该工作为以绿色和经济效益为导向的电极材料再生，以及高效简化废旧电池的大规模回收修复流程提供了重要的指导。该成果以“Dynamic Li+ Capture Through Ligand-Chain Interaction for the Regeneration of Depleted LiFePO4 Cathode”为题，发表于材料类国际著名期刊Advanced Materials（2024, 36, 2308927）上。成果第一作者为博士生赵欣欣。

图1 配位链动态捕获Li+再生废旧LiFePO4正极

　　团队还创新性地开发了一种不同于传统再生的快速、绿色和低成本的再生工艺来修复废弃的LFP正极。采用高温超快焙烧工艺，仅需20秒即可获得显著再生效果，其晶体结构可完全恢复到原来状态。再生后的LFP，其电化学性能得到显著提升。这种既省时又节能的再生工艺，契合LFP废旧材料的实际修复中的成效需求，可以为废旧锂离子电池正极的快速高效修复和进一步利用提供独特的路线。该成果以“Direct and rapid regeneration of spent LiFePO4 cathodes via a high-temperature shock strategy”为题，发表于工程技术类国际著名期刊Journal of Power Sources（2023, 587, 233697）上。成果第一作者为博士生郑硕航。

图2 高温热冲击实现废旧LiFePO4正极材料的高效快速再生

　　针对传统废旧LFP电池回收工艺经济性差的问题，团队直接再利用废旧LFP，从卤水中提取锂金属，并在电化学过程中获得良好的锂容量和分离性能。该工作为废旧锂离子电池回收利用提供有效策略的同时，也开拓了提取锂元素的新思路（Chinese Chemical Letters, 2023, 34, 107706）。考虑到可持续和高经济效益，将废旧锂离子电池的氧化物正极材料直接应用于钠离子电池，从而实现了废旧锂电材料的直接再利用，该回收理念不仅展现出直接再利用的经济可持续策略，还为下一代钠离子电池的大规模应用提供了“变废为宝”的原材料（Rare Metals, 2023, 42, 1603–1613）。