这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告:
本研究的主要作者包括Zhiming Xiao、Yuxuan Yang、Yizhuo Li、Xinyou He、Jixue Shen、Long Ye、Fangyong Yu、Bao Zhang和Xing Ou。他们分别来自中南大学冶金与环境学院和中国教育部先进电池材料工程研究中心,以及山东理工大学化学与化工学院。该研究发表于期刊《Small》,发表日期为2024年。
锂离子电池(LIBs)因其高能量密度和长寿命,广泛应用于移动电子设备和电动汽车(EVs)。然而,随着电动汽车的普及,未来将产生大量废旧锂离子电池,这些电池含有有毒化合物和贵金属(如锂、镍、钴等),若处理不当,将导致环境污染和资源浪费。因此,废旧锂离子电池的回收市场变得愈发重要,这不仅是资源回收的需求,也是环境保护的需要。
目前,废旧锂离子电池的回收主要依赖于传统的火法冶金和湿法冶金工艺。然而,这些方法存在高能耗、低回收率以及废水废气排放等问题。近年来,直接再生技术因其高效和环保特性得到了快速发展。直接再生技术通过直接修复或处理废旧材料,实现锂补充、缺陷修复和结构重建,从而恢复电池材料的性能。
然而,废旧LiNi_xCoyMn{1-x-y}O_2(NCM)正极材料的有效再利用仍面临重大挑战,尤其是表面形成的岩盐/尖晶石相阻碍了锂的补充和层状结构的相变。因此,本研究旨在通过设计一种三元组分熔盐系统(LiOH-Li_2CO_3-LiNO_3),实现废旧NCM523正极材料的直接再生,并揭示其修复机制。
废旧NCM523材料的收集:从退役的NCM523/石墨软包电池中收集废旧正极材料。电池在NaCl溶液中完全放电后,拆解正极板,并在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中浸泡13小时,通过离心收集电极材料,最后在110°C下干燥12小时,获得废旧NCM523粉末(SNCM)。
NCM523材料的直接再生:将LiOH、Li_2CO_3和LiNO_3按2:1:1的摩尔比混合,制备三元组分熔盐系统(LLLMSS)。将10克SNCM与2.812克LLLMSS均匀混合,在球磨机中研磨后,在氧气气氛下于500°C煅烧5小时,随后在950°C煅烧10小时。经过粉碎处理,获得再生NCM523材料(RNCM)。
材料表征:通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和电感耦合等离子体(ICP)等技术,对SNCM和RNCM的晶体结构、表面化学状态、形貌和元素分布进行表征。
电化学性能测试:组装CR2032扣式半电池,测试RNCM和商用NCM523(CNCM)的循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)和恒电流充放电性能。
原位XRD测试:通过原位XRD测试,分析RNCM和CNCM在首次充放电过程中的结构变化,评估其结构稳定性。
能量、环境和经济效益分析:对比直接再生、湿法冶金和火法冶金工艺的能耗、CO_2排放和经济效益,评估直接再生工艺的可持续性。
材料表征结果:XRD和ICP结果表明,RNCM的晶体结构和锂含量均恢复到与CNCM相似的状态,表明LLLMSS系统成功实现了岩盐/尖晶石相向层状结构的完全转化。XPS结果显示,RNCM表面的Ni^{2+}和Mn^{3+}含量显著降低,表明LLLMSS系统通过强氧化环境促进了Ni^{2+}向Ni^{3+}的转化,并减少了表面岩盐相的形成。
电化学性能:RNCM在1 C倍率下的首次放电容量为157 mAh/g,与CNCM(163 mAh/g)相当。在3.0-4.3 V电压范围内,RNCM在100次循环后的容量保持率为91.7%,高于CNCM的88.2%。在3.0-4.5 V的高电压范围内,RNCM的容量保持率也达到85.0%,表现出优异的循环稳定性。
原位XRD结果:原位XRD测试表明,RNCM在首次充电过程中的晶格参数变化较小,表明其结构稳定性优于CNCM。这归因于LLLMSS系统提供的强氧化环境和液相反应环境,确保了结构的完全修复。
能量、环境和经济效益分析:直接再生工艺的总能耗为135 MJ/kg,显著低于湿法冶金(200.7 MJ/kg)和火法冶金(193.8 MJ/kg)。此外,直接再生工艺的CO_2排放为9.4 kg/kg,低于湿法冶金(13.8 kg/kg)和火法冶金(14.5 kg/kg)。经济效益分析显示,直接再生工艺的利润为5.5美元/kg,高于湿法冶金(2.7美元/kg)和火法冶金(1.9美元/kg)。
本研究通过设计一种三元组分熔盐系统(LLLMSS),成功实现了废旧NCM523正极材料的直接再生。LLLMSS系统具有强氧化性和低共熔点的特性,能够加速岩盐/尖晶石相向层状结构的转化,并实现锂的完全补充。再生后的NCM523材料表现出优异的电化学性能,其循环稳定性甚至优于商用NCM523。该研究为废旧锂离子电池的直接再生提供了一种高效、环保的策略,具有重要的科学和应用价值。
本研究还通过能量、环境和经济效益分析,全面评估了直接再生工艺的可持续性,为其大规模应用提供了理论依据。