废弃镍富集层状电池正极材料的循环利用升级策略

废弃镍富集层状电池正极材料的循环利用升级策略

作者单位

清华大学深圳国际研究生院、上海交通大学、东莞市散裂中子源科学中心、香港科技大学、北京大学深圳研究生院

文章概述()

提出一种基于回收再利用的直接升级策略，将废弃富镍层状电池正极材料转化为高电压正极材料，该方法利用电池拆解过程中产生的正负极集流体作为掺杂剂，通过共晶盐体系修复降解的多晶LiNi0.83Co0.12Mn0.05O2（）正极材料的结构缺陷，并引入Al/Cu双掺杂实现单晶转变。

论文通过一系列原位和非原位表征手段，深入阐述了直接升级工艺的机理，结果表明该方法可以有效抑制正极材料在高压下的应力积累和晶格氧逸出问题，得到的升级材料在4.6V高压下表现出优异的电化学性能，特别是在15C高倍率下，仍能保持85mAh/g的放电容量，远优于商业化材料，其在1.2Ah软包电池中的应用也展现出其在高电压稳定性和循环中的优异性能。

更重要的是，这种普适性的改进方法适用于各种层状正极材料，能够处理不同程度和形式的材料降解，展现出其在电池回收利用和高性能正极材料制备中的广阔应用前景。它有效地实现了废弃物管理与先进材料改进的有机衔接，为电池回收利用和下一代高压正极材料的可持续发展提供了一条新路径。

研究背景()

本论文研究基于废弃富镍层状正极材料直接升级再利用的方法，主要研究内容和意义如下：

研究背景：

1. 随着电动汽车等电化学储能技术的快速发展，大量锂离子电池（LIB）退役，回收问题日益紧迫。传统的金属回收方法消耗大量能源，并可能造成环境污染。

2、直接回收技术通过修复和再利用电池正极材料固有性能，可以实现更加环保高效的电池材料回收，但随着电池性能要求的快速提升，直接回收已不能满足高能量、高功率密度的要求。

意义：

1. 本文提出一种基于废旧电池集流体的“直接升级”回收方法，将降解的层状正极材料转化为高电压、耐用的正极材料。

2、该方法利用共晶熔盐体系同时实现正极材料的结构缺陷修复、掺杂元素的引入和单晶转变，显著提高正极材料在高电压下的电化学性能。

3.该方法适用于不同来源和降解程度的层状正极材料，实现了从废弃物管理到高性能材料制备的无缝过渡，为锂离子电池回收利用提供了可持续的解决方案。

综上所述，本研究通过建立闭环直接提质回收技术，有效解决了退役电池正极材料性能与使用要求之间的矛盾，为锂离子电池的可持续发展做出了重要贡献，其高效性和可靠性为电池回收利用提供了新的思路和途径。

研究方法（）

研究思路：

1. 提出一种闭环直接提质方法回收利用富镍废层状电池正极材料，解决电池资源与环境压力问题。

2.利用废弃集流体碎片作为掺杂剂，与共晶熔盐体系结合，修复退化多晶LiNi0.83Co0.12Mn0.05O2正极材料的缺陷，补充丢失的元素，实现单晶转化，并进行Al/Cu双掺杂，制备性能优异的高电压正极材料。

研究方法：

1、利用ICP-AES、XRD、NPD、TG-FT-IR、SEM、HRTEM、XPS、EPR、DEMS、sXAS、hXAS等分析电池材料的结构、形貌和成分。

2.构建纽扣电芯进行电化学性能测试，包括初次激活、长期循环、倍率性能等，另外制备Ah级软包电池进行实验验证。

3.结合DFT计算，分析掺杂元素对氧化物结构、电子态的影响，解释材料性能提高的机理。

实验步骤：

1、清洗废旧蓄电池正极材料，除去残留的电解液和粘结剂。

2.将废旧集流体碎片经过加工转化为Al/Cu掺杂剂。

3、将废旧正极材料与LiOH、NaCl及KCl混合，添加Al、Cu掺杂剂，在熔盐体系中进行高温热处理，实现材料修复与单晶转变。

4.对修复后的正极材料进行表征分析，了解其结构和成分的变化。

5.构建电池进行电化学性能测试，评估材料在高电压下的循环稳定性和倍率性能。

6、制备Ah级软包电池并进行测试，验证材料在实际应用中的性能。

通过这种综合的研究思路，充分分析了闭环直接升级过程中材料结构与性能之间的关系，为高性能、可持续正极材料的开发提供了新的思路和路径。

文章结果 ()

1.研究背景及意义：

- 随着电动汽车市场的快速发展，对动力电池的需求和性能要求不断提升，但电池寿命有限，大量的废旧电池成为环境问题，传统的回收方式存在能耗高、污染大等弊端。

- 本研究提出了一种“闭环直接提质”的新型回收方法，可以将废旧电池重新利用，制备出高性能正极材料，实现材料的循环利用，有利于建立电池循环经济体系。

2.研究方法与结果：

- 利用熔盐辅助修复技术，将废弃正极材料转化为高单晶、Al/Cu双掺杂的高镍正极材料（）。

- 在高电压（4.6V）下表现出优异的电化学性能，具有高比容量、良好的倍率性能和强的循环稳定性，远远优于商业正极材料。

- 机理分析表明，单晶转变和双掺杂可以有效抑制体相应变的积累和表面氧的逃逸，提高材料在高电压下的稳定性。

3.创新与意义：

- 通过将废旧电池集流体转化为掺杂剂，实现闭环直接升级，最大限度地提高废料的价值。

-该方法适用于多种类型的降解层状正极材料，适用性广泛，为电池废弃物的高效环保回收提供了新思路。

- 该工艺实现了从废弃物管理到高性能材料制备的无缝过渡，为建立电池材料循环经济体系提供了可行的解决方案。

综上所述，本研究提出了一种创新的直接回收方法，不仅有助于解决电池废弃物处理的环境问题，还可以制备高性能正极材料，为下一代高能量密度电池的开发提供重要支撑。这种“变废弃为高性能”的闭环回收模式具有重要的学术价值和应用前景。

分析结论()

1.研究结论：

- 提出了一种废旧富镍层状电极直接升级改造的新型闭环方法，利用电池拆解过程中产生的集流体作为添加剂，结合多元共晶熔盐体系，实现对劣化富镍层状电极进行升级改造的目标。通过对富镍层状电极材料进行结构缺陷修复、元素补充、单晶转化及Al/Cu双掺杂，可将劣化程度极高的富镍电极材料转化为能在高电压下稳定工作的高性能电极材料。

- 升级后的电极材料在4.6V高电压下表现出优异的循环稳定性和优异的15C快充性能，在实际1.2Ah软包电池中经过200次循环后，容量保持率为91.1%，远优于商业电极材料。

- 该方法不仅可以适用于不同类型的层状电极材料，包括镍钴锰、镍钴铝等，而且与不同降解程度的电极材料具有良好的兼容性，表现出良好的可扩展性。

2.本研究的创新之处：

- 创新性地将电池拆解产生的废集流体嵌入到电极材料再生流程中，充分利用这些废弃物的附加值，实现废弃物向高性能电极材料的转化。

- 采用高度包容性的多元共晶熔盐体系，为退化电极材料的缺陷修复、元素补充、单晶改性和双重掺杂提供了高度适应性的反应环境。

- 通过这种闭环直接回收方法，有效地弥合了废物管理与先进材料合成之间的差距，实现了从电池回收到高性能电极材料生产的可持续循环。

3.研究的缺点：

-尽管该方法已经展现出优异的性能，但在实际电池应用中仍需要进一步优化和验证，例如在大规模实际生产条件下的可行性以及成本效益分析。

- 集流体转化为添加剂的具体机制仍需进一步阐明，以更好地指导实际的工业应用。

- 该方法对其他类型降解电极材料的适用性和通用性需要进一步扩展和验证。

4.研究前景：

- 未来可进一步优化集流体转化工艺，提高添加剂的利用效率，降低成本。

- 继续探索该升级回收方法在不同类型的降解电极材料上的应用，扩大其应用范围。

- 针对具体的工业应用场景，进一步优化工艺流程和装备，提高生产效率和可扩展性。

- 结合生命周期分析，综合评估该方法在资源节约、能源消耗、碳排放等方面的优势，为电池回收再制造领域提供可靠的参考。