材料研究进展 2024年11月24日 14:30 陕西

1研究背景

随着电动汽车的迅猛发展，动力型锂离子电池（LIBs）行业迎来了蓬勃发展。然而，由于动力电池的有限使用寿命，大量电池即将面临退役，这不仅带来了环境安全风险，还意味着资源的浪费。废弃的LIBs中含有的重金属如镍（Ni）、钴（Co）和铜（Cu）等会对土壤和水源造成污染，而电解液中的六氟磷酸锂（LiPF6）分解产生的有害气体则会导致严重的氟污染。因此，对退役动力电池进行回收处理变得迫在眉睫。同时，电池生产所需的锂、镍、钴和锰等元素分布不均，开采成本高，如果能从废弃电池中提取这些有价值的金属，将有效缓解资源短缺问题，具有极大的经济可持续性。作为电池的关键组成部分，正极材料是退役电池中最有价值的部分，尤其是镍钴锰（NCM）三元正极材料，因其含有高价值金属如镍、钴和锰，回收价值更高。当前，NCM材料的回收主要采用级联利用、高温冶金、湿法冶金和直接修复再生等方法。然而，这些传统方法存在能耗高、二次污染严重等问题。因此，探索低成本、绿色、节能和高效的电池回收方法变得尤为迫切。直接修复再生方法，通过分子水平上的结构修复，避免了将金属合金或金属盐转化为电极材料的复杂过程，实现了电池整个生命周期的闭环循环，使回收过程更短、更高效、更节能。

2成果简介

在这项研究中，研究人员首先讨论了NCM材料的各种失效机制，包括元素损失、Li/Ni混合、不可逆相变、结构缺陷、氧释放和表面降解与重构，尤其是高电压下的不同失效模式，并试图建立不同失效机制之间的关联。其次，分析和总结了近年来开发的用于失效NCM的各种直接再生方法，包括固相烧结再生、共晶盐辅助再生、溶剂热再生、溶胶-凝胶法再生、喷雾干燥修复和氧化还原介导再生。基于NCM材料的再生，进一步讨论和总结了失效NCM材料的升级回收策略，包括单晶化、高镍化、独特结构设计、表面工程和离子掺杂。最后，指出了NCM材料直接再生面临的挑战和对策，并展望了失效NCM材料直接再生技术的未来发展方向。

3图文导读

图1  LIBs的级联利用路径示意图（a），以及高温冶金、湿法冶金和直接回收路线的示意图（b）。

图2  NCM正极材料直接再生和升级回收的示意图。

图3 Li+损失和Li/Ni混合（a），过渡金属TM溶解（b），O1相和O3相共存引起的晶格失配（c），以及层状相转变为岩盐相和尖晶石相（d）。

图4  Li+提取/插入过程中的晶格旋转（a），裂纹对Li+扩散路径的影响（b），不同电压范围内NCM材料的平面滑动（c），以及应力下的平面滑动和裂纹（d）。

图5  NCM材料中气体的产生（a），暴露在空气中的富镍材料表面变化（b），以及富镍正极材料表面固态电解质界面的微观结构和组成（c）。

4小结

文献：

https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.11.016