直接回收技術具有經濟效益和環境友好性，被認為是下一代廢舊鋰離子電池回收技術。對于廢層狀氧化物正極材料，顆粒表面附近不可逆的向巖鹽結構的相變阻礙了鋰離子的再嵌入，從而阻礙了鋰補償過程完全恢復成分缺陷和修復失效結構。本研究引入了一種過渡金屬氫氧化物前驅體，利用其在退火過程中產生的表面催化活性將巖鹽結構轉化為層狀結構，為鋰離子提供快速遷移途徑。材料修復和合成過程共享相同的加熱程序，使廢陰極和添加的前驅體經歷拓撲轉變，形成目標層狀氧化物。這種再生材料表現出優于商用陰極的性能，在1.3 Ah的袋狀電池中循環1000次后仍能保持其初始容量的88.4%。技術經濟分析強調了表面催化修復相對于火法和濕法修復的環境和經濟優勢，表明其具有實際應用的潛力。
圖1. 直接修復和可控硅的效果。(a)直接修理和SCR工藝示意圖。(b)異質結構吸附/解吸O
2、OH
-和釋放ROS的過程示意圖。(c)巖鹽NiO轉化前后鋰離子輸運路徑由封閉到開放的變化過程示意圖。(d)兩種不同修復方法的鋰補給過程有限元模擬。
圖2: 直接修復與SCR工藝的比較。（a,b） SCR和直接修復SNCM的TG和DTG曲線。(c)加熱條件下鋰鹽的轉化，由于表面催化作用，非均相結構促進了鋰鹽的轉化（對于SCR初始轉化溫度低于430℃）。(d)加熱過程中記錄的•O
2 -和•OH自由基的EPR譜 (e)超氧自由基和羥基自由基的含量。(f)兩個直接回收過程關鍵步驟的自由能。(g)不同溫度下RDS能壘。(h) SCR過程不同階段樣品的非原位o1s XPS光譜。(i) SCR過程的原位x射線衍射（XRD）圖。(j)異質結構催化表面巖鹽相去除活性氧示意圖。(k) SCR過程的原位SEM圖像
圖3. SNCM的表面重建。(a) SNCM、NCM-DR和NCM-SCR的XRD數據的Rietveld細化。
（b,c） SNCM和NCM-SCR的HRTEM圖像和相應的FFT圖像。(d) SNCM、NCM-DR和NCM-SCR的Ni 2p的XPS光譜。(e) SNCM、NCM-DR和NCM-SCR材料的組成、結構和元素價的關鍵參數比較。(f) DR和SCR工藝對材料結構的修復作用示意圖。
圖4. SNCM、NCM-DR、NCM-SCR和CNCM的電化學性能。(a)半電池試驗中的恒流充放電曲線。(b)能力恢復效果比較。(c)四種材料在0.5 c時的循環性能。(d)四種材料的速率性能比較。(e)掃描速率為0.1 mV/s時四種材料的第一循環伏安曲線。(f)峰值電流密度隨掃描速率平方根的函數圖。(g) NCM-DR和NCM-SCR的電化學性能參數比較。(h)兩種修復方法的電化學性能影響機理示意圖。
圖5.應用性能及技術經濟分析。(a) NCM-SCR//Gr袋狀電池的循環性能。(b)與報道的基于再生層狀正極材料的全電池容量損失比的比較。(c)無人機由再生NCM523制成的袋狀細胞驅動。(d)比較不同回收過程的利潤。(e)比較不同回收過程的能源消耗、水消耗和溫室氣體排放。
相關研究成果由清華大學深圳國際研究生院
Bo Li 、Guangmin Zhou和深圳先進技術研究院
Hui-Ming Chen等人2024年發表在Journal of the American Chemical Society (鏈接: https://doi.org/10.1021/jacs.4c10107)上。原文：
Surface Catalytic Repair for the Efficient Regeneration of Spent Layered Oxide Cathodes
轉自《石墨烯研究》公眾號
