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一步低温闭环共晶盐策略直接再生严重降解的LiFePO4

期刊:Energy Storage MaterialsDOI:10.1016/j.ensm.2025.104183

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:


作者及研究机构
该研究由Haoruo Xiao、Chenrui Zeng、Fengxia Fan、Xinxiang Wang、Guilei Tian、Pengfei Liu、Shuhan Wang、Chuan Wang、Yan Huang、Yang Zhang和Chaozhu Shu*共同完成。研究团队来自成都理工大学材料与化学化工学院,通讯作者为Chaozhu Shu。该研究于2025年发表在期刊《Energy Storage Materials》上,文章编号为104183。

学术背景
随着全球环境问题的加剧,化石燃料的过度使用促使人们探索更环保和可持续的替代能源。然而,替代能源的间歇性限制了其大规模应用,因此锂离子电池(LIBs)等储能技术的发展至关重要。磷酸铁锂(LiFePO₄,LFP)电池因其成本效益高、稳定性好和安全性优越而被广泛应用。然而,LFP电池的广泛部署也带来了寿命终结管理的问题,尤其是回收技术的缺乏成为环境和经济的重大挑战。传统的火法和湿法回收方法复杂、经济效率低且环境污染严重,因此开发高效、环保的LFP电池回收技术成为迫切需求。

研究目标
本研究旨在提出一种一步法低温共晶盐策略,用于直接再生严重退化的LFP材料。通过使用低共熔锂盐系统(LiI和LiOH),实现Li⁺与脱锂LFP颗粒的充分相互作用,克服固态烧结方法中修复不均匀的问题。同时,通过I⁻氧化为I₂的还原环境,降低Li⁺迁移能垒,促进Li/Fe反位缺陷的修复,并在450°C的低温下实现高效再生。此外,建立闭环再生系统,通过冷凝收集生成的碘以供重复使用。

研究流程
1. 材料准备
研究使用从废弃LFP电池中提取的LFP黑粉(s-LFP)作为研究对象。通过放电、拆解、浸泡和超声处理等步骤,分离出s-LFP材料。

  1. 再生过程
    基于ICP-OES测量结果,确定s-LFP中锂的缺失量,并计算所需的LiOH和LiI添加量。将s-LFP、LiOH和LiI在手套箱中混合研磨,并在200°C下热处理4小时,随后在450°C下处理4小时,最终得到再生LFP(r-LFP)。

  2. 材料表征
    使用ICP-OES、TGA-DTA、XRD、SEM、TEM、XPS和FTIR等技术对材料进行表征,分析其晶体结构、表面形貌、化学成分和氧化状态。

  3. 电化学性能测试
    将再生材料制成电极,组装成扣式电池,进行循环性能、倍率性能、循环伏安法(CV)、电化学阻抗谱(EIS)和恒电流间歇滴定技术(GITT)测试,评估其电化学性能。

  4. 理论计算
    使用密度泛函理论(DFT)计算还原环境对Li⁺补充和Li/Fe反位缺陷修复的影响,分析迁移路径和能垒。

  5. 技术经济评估
    对比火法、湿法和直接再生方法的经济效益、能源消耗和温室气体排放,评估该方法的工业应用潜力。

主要结果
1. 再生机制
在200°C下,LiI和LiOH形成均匀的锂富集熔融环境,促进s-LFP颗粒与锂盐的充分接触。在450°C下,I⁻氧化为I₂的还原环境显著降低了Li⁺迁移能垒,并修复了Li/Fe反位缺陷。

  1. 材料表征
    XRD和XPS结果表明,再生后的LFP材料中Fe³⁺被完全还原为Fe²⁺,fepo₄相消失,晶体结构和化学成分与原始材料一致。

  2. 电化学性能
    再生LFP材料在1C倍率下经过300次循环后,容量保持率为95.7%。基于再生LFP的软包电池(1Ah)在0.5C倍率下经过300次充放电循环后,容量保持率为96.84%。

  3. 理论计算
    DFT计算表明,还原环境显著降低了Li⁺和Fe²⁺迁移的活化能,为低温再生提供了理论支持。

  4. 技术经济评估
    直接再生方法每公斤原料的利润为4.41美元,显著高于火法和湿法。此外,该方法在能源消耗和温室气体排放方面也表现出优势。

结论
本研究提出了一种低成本、环保的低温共晶盐再生方法,成功实现了严重退化LFP材料的直接再生。通过熔融盐状态促进锂盐与LFP颗粒的充分接触,并在还原环境下修复Li/Fe反位缺陷,显著提高了再生材料的电化学性能。该方法具有显著的工业应用潜力,为LFP电池的可持续回收提供了新思路。

研究亮点
1. 创新性方法
提出了一种一步法低温共晶盐再生策略,克服了传统方法的修复不均匀问题。

  1. 高效再生
    在450°C的低温下实现了LFP材料的高效再生,显著降低了能源消耗。

  2. 闭环系统
    通过冷凝回收碘,实现了材料的闭环再生,进一步降低了成本。

  3. 优异性能
    再生材料的电化学性能与原始材料相当,展示了其直接用于电池制造的潜力。

  4. 技术经济优势
    该方法在经济性、能源效率和环保性方面均优于传统回收方法。

其他有价值的内容
研究还设计了一种碘回收装置,理论上可实现100%的碘回收效率,进一步提高了该方法的经济性和环保性。此外,通过理论计算揭示了还原环境对再生机制的关键作用,为优化再生工艺提供了理论依据。


这篇报告全面介绍了该研究的背景、方法、结果和意义,为相关领域的研究人员提供了详细的研究参考。

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