電動汽車的加速采用支援向更可持續的交通部門過渡。然而，許多電動汽車将在未來十年内退役，這對可持續發展提出了挑戰，特别是由于報廢電池缺乏回收。
鑒于此，大連化物所陳忠偉院士與張永光研究員展示了可以使锂離子電池(LIB)和後LIB中的廢陰極獲得第二次生命的再生路線。本文的再生從涉及乙酸的浸出過程開始，該過程可以選擇性地溶解陰極中的高價值元素，包括锂、钴、鎳和錳。根據添加的螯合劑，浸出液中的進一步共沉澱反應形成不同正極材料的前體。再生的锂層狀氧化物正極可提供高達2.73 mAh cm−2的可逆面積容量，并且對于LIB具有出色的結構穩定性，而獲得的普魯士藍類似物在鈉離子電池(SIB)2000次循環後顯示出83.7%的保留率。生命周期和技術經濟評估表明，目前的再生可以将LIB和SIB的制造成本分别降低21.65 kWh−1美元和41.67 kWh−1美元，同時對人類健康、環境和自然資源的影響較小。這項工作為向更可持續的存儲技術過渡鋪平了道路。相關研究成果以題為“Sustainable regeneration of spent cathodes for lithium-ion and post-lithium-ion batteries”發表在最新一期《Nature Sustainability》上。
值得一提的是，陳忠偉教授是加拿大皇家科學院院士、加拿大工程院院士、加拿大國家最高科技獎獲得者、加拿大國家首席科學家、之前任職于滑鐵盧大學清潔能源先進材料實驗室主任、滑鐵盧大學電化學能源中心主任。年僅44歲的陳忠偉教授成為加拿大最年輕的兩院院士。ACS Applied Materials & Interface副主編，國際電化學能源科學學會（IAOEES）共同創始人和副主席。
2023年7月28日，能源催化轉化全國重點實驗室第一屆學術委員會成立大會在大連化物所順利召開。經中國科學院黨組審議同意，大連化物所聘請加拿大皇家科學院院士、加拿大工程院院士陳忠偉擔任實驗室主任。
【高價值元素的提取】
高價值元素的提取是陰極再生過程的初始且關鍵的步驟。此步驟涉及使用乙酸和過氧化氫作為浸出劑，将廢正極材料中的有價值金屬溶解到溶液中，進而促進未溶解雜質的分離。該過程的效率很大程度上取決于反應溫度和所處理的陰極材料的成分。浸出效率：從LiCoO2(LCO)中浸出钴(Co)和锂(Li)以及從LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM)中浸出鎳(Ni)、Co、錳(Mn)和Li高度依賴于溫度。例如，在90°C時，LCO和NCM的萃取能力明顯高于25°C時的萃取能力。礦漿密度影響：金屬浸出效率随着礦漿密度的增加而降低。對于LCO，在礦漿密度為10g/L時，超過95.6%的Co和97.4%的Li被浸出，而對于NCM，在較低礦漿密度時浸出效率較高，但在較高密度時浸出效率降低。圖1展示了礦漿密度對LCO和NCM中不同金屬浸出效率的影響，突出顯示了最大金屬回收率的最佳條件。
圖 1. 高價值元素的提取
【锂離子電池再生正極材料】
正極材料的再生是利用浸出液通過共沉澱的方法合成新的正極材料。該研究的重點是Li1.04(Ni0.34Co0.32Mn0.34)0.96O2 (R-NCM) or Li1.04(Ni0.80Co0.10Mn0.10)0.96O2 (R-NCM811)兩種再生陰極材料。合成過程：調整浸出液中鎳、钴和錳的摩爾比以獲得所需的組成，然後進行共沉澱和高溫锂化以形成再生正極粉末。分析表征表明：再生粉末保留了前體的球形結構，并表現出與商業NCM粉末相當或更好的電化學性能，再生正極表現出高可逆容量、良好的循環穩定性（500次循環後容量保持率為81.2%）和高庫侖效率（>99.7%）。圖2展示了再生NCM粉末的形态和結構特征。結構穩定性：FIB-SEM和原位XRD分析顯示循環過程中微裂紋極小，相穩定性強。
圖 2. LIB 的再生正極材料
【用于後LIB的再生正極材料】
用于後LIB應用的普魯士藍類似物(PBA)的開發是利用滲濾液中的過渡金屬離子，通過共沉澱形成各種PBA。這些材料表現出優異的電化學性能，包括高比容量和長期循環穩定性。從合成與形貌來看，PBA表現出均勻的立方結構，可精确控制金屬成分，這對于優化電化學性能至關重要。電化學性能：NCM-PBA電極表現出令人印象深刻的循環穩定性（2000次循環後容量保持率為83.7%）和高庫侖效率，凸顯了其在SIB應用中的潛力。此外，SEM、XRD和TOF-SIMS分析證明了循環PBA中的結構完整性和均勻的Na離子分布，突出了它們對SIB應用的适用性。
圖 3. 後 LIB 的再生正極材料
【生命周期和技術經濟評估】
生命周期評估（LCA）評估了再生過程對環境的影響，顯示與商業陰極生産相比，全球變暖潛勢（GWP100）和化石資源稀缺性顯着降低。成本分析表明，使用再生材料的LIB和SIB電池組的制造成本可大幅節省（圖4）。例如，使用再生NCM的1 kWh LIB電池組的成本約為34.94 美元/kWh，而過渡到使用NCM-PBA的SIB進一步将成本降低至21.08 美元/kWh。
圖 4. 陰極再生技術的評估
【總結】
本文設計了兩種不同的陰極再生方法，以從黑色物質中回收所有高價值元素，并将其重新用于锂離子電池和後锂離子電池的新型陰極材料，進而實作向下一代可持續電池系統的過渡。為了提取不含任何雜質的高價值元素并控制結晶過程，他們選擇了一種較為溫和的浸出劑。所獲得的LIB正極材料和用于後LIB的PBA正極材料具有優化的微觀結構和比對的容量，與商用材料相當或更好。随着電池的不斷發展和多樣化，該方法可以實作全面的可持續性，同時降低成本和對環境的影響。特别是，向後锂離子電池的過渡大大減少了對人類健康、環境和自然資源的影響，同時制造成本也大大降低。這些通過回收工藝過渡到锂離子替代品的嘗試，将為解決電池的可持續性和可負擔性問題提供一個前景廣闊的途徑，進一步加快世界實作可持續發展的步伐。
來源：高分子科學前沿
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