这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的学术论文。以下是针对该研究的学术报告：
研究作者与机构
本研究的主要作者包括Haocheng Ji、Junxiong Wang、Haotian Qu等，他们分别来自清华大学-伯克利深圳研究院（Tsinghua-Berkeley Shenzhen Institute）、清华大学深圳国际研究生院（Tsinghua Shenzhen International Graduate School）、上海交通大学化学与化工学院（School of Chemistry and Chemical Engineering, Shanghai Jiao Tong University）等机构。该研究于2024年7月15日发表在期刊《Advanced Materials》上，文章DOI为10.1002/adma.202407029。
学术背景
随着电动汽车（EVs）和可再生能源存储系统的快速发展，锂离子电池（LIBs）的需求急剧增加。然而，LIBs的有限生命周期带来了资源浪费和环境污染的挑战。传统的回收方法，如火法冶金（pyrometallurgy）和湿法冶金（hydrometallurgy），虽然能够提取有价值的材料，但能耗高且对环境有害。因此，直接回收方法被认为是一种更环保、经济的解决方案。然而，技术的快速迭代与电池寿命有限的矛盾促使研究转向“直接升级回收（direct upcycling）”，即不仅修复废旧电池材料，还提升其性能以满足现代需求。
本研究的目标是开发一种闭环直接升级回收策略，将废旧镍富集层状正极材料（如LiNi0.83Co0.12Mn0.05O2）转化为高性能高压正极材料。通过修复结构缺陷、引入铝/铜双掺杂（Al/Cu dual-doping）以及实现单晶化（single-crystallization），提升材料在高电压下的稳定性，克服应变积累（strain accumulation）和晶格氧逸出（lattice oxygen evolution）两大关键挑战。
研究流程
1. 材料准备与预处理
研究首先从废旧LIBs中分离出正极材料，并清洗去除残留的电解质和粘结剂。废旧正极集流体碎片通过研磨和化学处理转化为铝粉和氢氧化铜（Cu(OH)2），作为掺杂剂。
熔盐辅助修复与升级
采用NaCl-KCl-LiOH三元共晶熔盐系统（ternary eutectic molten salt system）作为修复环境。将废旧正极材料与熔盐及掺杂剂混合，在管式炉中进行烧结。烧结过程分为两个阶段：首先在500°C下烧结3小时，随后升温至850°C烧结8小时。通过熔盐的润湿行为，材料在高温下实现锂离子补充、结构修复和单晶化。
材料表征
研究采用了一系列原位（in situ）和离位（ex situ）表征技术，包括热重分析（TG）、X射线衍射（XRD）、中子粉末衍射（NPD）、扫描电子显微镜（SEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、X射线光电子能谱（XPS）等，详细分析了材料在修复过程中的结构演变、元素价态变化及掺杂效果。
电化学性能测试
将升级后的材料组装成半电池和全电池，测试其在高电压（4.6 V）下的电化学性能。通过恒流充放电测试、循环稳定性测试和倍率性能测试，评估材料的容量、循环寿命和快速充电能力。
主要结果
1. 结构修复与单晶化
通过熔盐辅助修复，废旧正极材料的结构缺陷得到有效修复，晶格参数恢复至正常范围。同时，材料从多晶（polycrystalline）转变为单晶（single-crystal），粒径分布更加均匀，平均粒径约为2微米。
掺杂效果
铝和铜双掺杂显著增强了材料的晶格稳定性。铝倾向于填充过渡金属层（TM layer）的空位，减少反位缺陷（anti-site defects）；铜则填充锂层（Li layer）的空位，支持层状结构并减少畸变。
电化学性能
升级后的材料（UNCM83）在高电压下表现出优异的电化学性能。在4.6 V下，首次放电容量超过215 mAh/g，100次循环后容量保持率为93.3%。在15 C的高倍率下，其放电容量仍超过85 mAh/g，显著优于商业材料。此外，1.2 Ah软包电池在200次循环后容量保持率高达91.1%。
应变与氧行为分析
通过原位电化学XRD和同步辐射X射线吸收光谱（XAS）分析，研究发现升级后的材料在高电压下应变积累显著减少，晶格氧逸出得到有效抑制。单晶结构和掺杂元素的协同作用增强了材料的机械稳定性和电化学稳定性。
结论与意义
本研究提出了一种闭环直接升级回收策略，成功将废旧镍富集层状正极材料转化为高性能高压正极材料。该方法不仅修复了材料的结构缺陷，还通过单晶化和双掺杂显著提升了其在高电压下的稳定性和电化学性能。研究为废旧LIBs的可持续回收提供了一条高效、低成本的路径，同时为下一代高压正极材料的开发奠定了基础。
研究亮点
1. 创新性方法
本研究首次将废旧正极集流体碎片转化为掺杂剂，实现了资源的闭环利用。熔盐辅助修复与单晶化技术的结合，为废旧正极材料的升级回收提供了新思路。
高性能材料
升级后的材料在高电压下表现出优异的循环稳定性和倍率性能，其性能远超商业材料，展示了其在下一代LIBs中的巨大应用潜力。
广泛适用性
该方法适用于多种层状正极材料，包括不同化学组成和降解形式的材料，展现了其在商业化生产中的广泛适用性。
其他有价值的内容
研究还通过有限元模拟（FEM）和密度泛函理论（DFT）计算，深入分析了材料在修复和电化学过程中的应变行为和氧行为，为理解材料性能提升的机制提供了理论支持。此外，研究还展示了升级材料在实际应用中的潜力，如驱动家用清洁机器人，进一步验证了其商业化可行性。
以上是对该研究的详细报告，涵盖了研究背景、方法、结果、结论及其科学和应用价值。