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详细学术报告：
一、研究团队与发表信息
本研究由Jiahui Hou、Zifei Meng、Xiaotu Ma等共同完成，通讯作者为Yan Wang（美国伍斯特理工学院机械与材料工程系）。合作单位包括美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）、北伊利诺伊大学（Northern Illinois University）及Farasis Energy USA等。研究成果发表于Energy Storage Materials期刊（2025年6月，卷80，文章编号104386），标题为《Upcycling mixed spent Ni-lean cathodes into Ni-rich polycrystalline cathodes》。
二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于锂离子电池（LIBs）回收与升级循环（upcycling）领域，聚焦于可持续资源利用与绿色能源技术。
研究动机：随着电动汽车（EVs）市场扩张，废旧LIBs激增，传统回收方法（如火法冶金和湿法冶金）存在能耗高、金属回收不完全等问题。现有研究多局限于单一组分正极材料的再生，而混合正极材料（如Ni含量低的NMC111与LMO）的升级循环面临技术挑战。
核心目标：开发一种混合湿法冶金与直接回收技术的升级循环工艺，将废旧低镍正极材料转化为高镍（Ni-rich，83Ni）多晶正极材料，实现92.31 mol%的回收材料利用率，并验证其电化学性能与经济可行性。
三、研究流程与方法
1. 材料回收与预处理
- 研究对象：混合废旧正极材料（NMC111与LMO粉末）。
- 处理流程：
- 机械处理：通过切割、破碎、筛分分离正极粉末与石墨。
- 湿法浸出：使用硫酸（H₂SO₄）与过氧化氢（H₂O₂）溶液溶解正极材料，ICP-OES定量分析过渡金属（Ni、Mn、Co）及杂质（Cu、Fe、Al）。
- 杂质去除：调节溶液pH以沉淀杂质，并通过添加回收的NiSO₄与 virgin CoSO₄调整金属比例至Ni:Mn:Co = 83:6:11。
2. 前驱体合成与正极再生
- 共沉淀反应：在连续搅拌反应器（CSTR）中，以氨水（NH₄OH）为络合剂，NaOH调节pH，55℃氮气环境下反应12天，生成Ni₀.₈₃Mn₀.₀₆Co₀.₁₁(OH)₂前驱体。
- 烧结工艺：前驱体与LiOH·H₂O混合，经450℃（5小时）和825℃（10小时）两阶段烧结，最终包覆稳定层形成83Ni正极材料。
3. 材料表征
- 物理性质：SEM、FIB-SEM分析形貌与孔隙率；XRD（Rietveld精修）确定晶体结构；TEM/SAED观察层状结构与晶格缺陷；XPS分析表面化学状态。
- 特殊方法：采用高角度环形暗场成像（HAADF-STEM）和EDS mapping研究循环后材料的相变与元素分布。
4. 电化学测试
- 测试体系：
- 扣式电池：评估初始比容量（201.1 mAh/g）、库仑效率及循环稳定性（500次循环后容量保持率88%）。
- 单层/多层软包电池：模拟工业条件，验证倍率性能与长循环性能（2Ah软包电池900次循环后容量保持率85%）。
- 辅助分析：GITT测量Li⁺扩散系数（4.72×10⁻¹¹至2.75×10⁻⁷ cm²/s），EIS分析界面阻抗演变。
5. 技术经济与生命周期分析
- 模型工具：Everbatt 2023模型对比传统湿法冶金、直接升级循环与本研究的混合工艺。
- 关键指标：能耗（232.75 MJ/kg产品，较传统方法降低8.6%）、温室气体排放（6.68 g CO₂/kg产品）及利润率（显著高于其他方法）。
四、主要研究结果
1. 材料性能：再生83Ni正极的物理性质（如粒径分布、孔隙率、晶体结构）与商用材料相当，阳离子混排度仅2.38%。
2. 电化学表现：
- 扣式电池中，初始容量与库仑效率接近对照组，Li⁺扩散系数与阻抗特性无显著差异。
- 软包电池验证了工业化可行性，高温循环中容量恢复现象（200次循环后提升至97.23%）表明材料结构稳定性。
3. 环境与经济性：
- 混合工艺减少了对 virgin 资源的依赖，每公斤产品利润优于传统方法。
- 杂质（如Fe、Al）控制在ppm级，未影响材料性能（Supplementary Table 5）。
五、结论与价值
科学意义：
- 提出了一种可扩展的混合正极升级循环策略，解决了多组分材料再生难题。
- 通过精准控制前驱体合成与烧结工艺，实现了高镍多晶正极的结构与性能优化。
应用价值：
- 为废旧LIBs的闭环回收提供了技术方案，降低对矿产资源的依赖。
- 技术经济模型显示，该工艺可降低76.52%的正极制造成本，推动电池产业可持续发展。
六、研究亮点
1. 方法创新：首次将湿法冶金与直接升级循环结合，处理混合低镍正极材料。
2. 性能突破：再生83Ni正极的长循环稳定性（>900次）与单晶材料相当，且避免了单晶高镍材料的高压不稳定性问题。
3. 跨学科整合：结合材料科学、电化学与工程经济学，为电池回收提供了全链条解决方案。
七、其他价值
- 研究团队开发的杂质控制标准（如Cu <10 ppm）可为行业提供参考。
- 公开数据支持后续研究复用（Data Availability Statement）。