天津大学SCM：超快碳热冲击助力废旧锂电正极材料再生

导语

回收废旧电池中的有价值的金属（如锂、镍、钴和锰等）对于缓解战略资源枯竭具有重要意义。目前，常见的回收方法包括火法冶金、湿法冶金等，但这些方法存在成本高、环境风险大、操作复杂等缺点，限制了它们的大规模应用。因此，开发一种可持续的、环保的回收策略，将废旧锂离子电池转化为高附加值的产品，不仅是学术研究的热点，也是行业发展的迫切需求。

研究亮点

• 创新回收技术：天津大学的研究团队提出了一种超快碳热冲击（CTS）技术，用于将废旧锂离子电池正极材料（LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2）转化为具有优异电催化性能的多功能电极材料（Ni/Ni-Mn-Co-O复合材料）。
• 卓越电催化性能：实验结果表明，这种复合材料在氧析出反应（OER）、氧还原反应（ORR）和氢析出反应（HER）中表现出卓越的性能。
• 宽温度范围稳定性：结合弱溶剂化电解液的设计，实现了锂离子在快速充电和低温条件下的高效传输，展现出优异的宽温度范围稳定性。
• 高能量密度：在超低N/P比（0.3）条件下，G-CF-Ag||NCM811全电池实现了587.5 W h kg⁻¹的高能量密度，G-CF-Ag||LFP全电池展现出良好的循环稳定性。

图文解读

图1：超快碳热冲击（CTS）技术在废旧锂离子电池正极材料再生中的应用

• CTS处理装置：展示了CTS处理装置的结构，其中废旧正极材料被刮下后装载在碳布基底上，并连接到电源电极。
• 温度变化曲线：记录了CTS过程中温度的变化曲线，显示在1-2秒内可达到750°C的高温，且加热和冷却速率高达10⁴-10⁵ K/s。
• 结构演变：展示了正极材料在充电和CTS处理后的结构演变及转化反应，表明Ni、Co、Mn等过渡金属离子在高温下被还原或转化为相应的氧化物，形成具有电催化活性的N/NMCO复合材料。

图2：N/NMCO复合材料的结构和形貌分析

• XRD图谱：显示N/NMCO与循环后的NMC（NMC-AC）和原始NMC的衍射峰不同，表明CTS处理后正极材料的晶体结构发生了变化。
• SEM图像：对比了NMC-AC和N/NMCO的形貌，显示CTS处理后纳米颗粒发生熔化和团聚。
• TEM图像：揭示了N/NMCO的纳米结构，其中蓝色和红色圆圈分别标出了NMCO和Ni纳米颗粒的位置。
• HRTEM图像和SAED图案：提供了NMCO和Ni纳米颗粒的高分辨率TEM图像和选区电子衍射图案，证实了N/NMCO复合材料中同时存在金属Ni和多种过渡金属氧化物。

图3：XPS分析

• 价态分析：展示了Ni、Co和Mn在N/NMCO和NMC-AC中的不同价态比例，其中N/NMCO中Ni的平均价态低于NMC-AC，且Ni²⁺的比例增加。
• 高分辨率谱图：进一步确认了Ni价态的变化，而Co和Mn的价态在两种材料中保持一致。

图4：电催化性能评估

• OER性能：展示了N/NMCO、NMC-AC和商用Ir/C催化剂在氧析出反应（OER）中的线性扫描伏安（LSV）曲线，N/NMCO在10 mA cm⁻²时的过电位为285 mV，优于Ir/C和NMC-AC。
• Tafel曲线和过电位：进一步证实了N/NMCO的优异OER性能。
• 电化学活性表面积：显示N/NMCO的电化学活性表面积远高于NMC-AC。
• 稳定性测试：对比了N/NMCO在1000次循环伏安前后的OER极化曲线，表明其具有良好的稳定性。
• HER和ORR性能：展示了N/NMCO在氢析出反应（HER）和氧还原反应（ORR）中的LSV曲线，显示其在HER中具有较低的过电位，在ORR中具有接近商用Pt/C催化剂的起始电位和半波电位。

图5：整体水分解装置应用

• 装置照片：展示了以N/NMCO作为阴阳极的整体水分解装置的照片。
• LSV曲线：显示该装置在10 mA cm⁻²时所需的电压仅为1.62 V。
• 稳定性测试：表明N/NMCO基水分解装置在不同电流密度下均能稳定运行超过5小时。

图6：可充电锌空气电池性能

• ZAB示意图：展示了以N/NMCO作为正极，锌板作为负极的ZAB示意图。
• 充放电曲线：显示N/NMCO基ZAB具有1.35 V的开路电压，并在至少20小时内保持稳定。
• 峰值功率密度：达到137 mW cm⁻²，高于使用Pt/C和Ir/C混合电极的ZAB。
• 比容量测试：表明N/NMCO正极在10 mA cm⁻²下的比容量为781 mA h g⁻¹。
• 循环性能测试：显示N/NMCO基ZAB的充放电电压差仅为0.71 V，往返效率高达63%。

总结与展望

本研究采用超快碳热冲击技术，成功将废旧锂离子电池正极材料转化为具有优异电催化性能的多功能复合材料，实现了从“废物”到“宝物”的转变。这一技术不仅环保、低成本、高效，还适用于大规模应用，为废旧电池正极材料的再生利用提供了新思路。所制备的复合材料在整体水分解和可充电锌空气电池中表现出卓越性能，显示出在清洁能源转换与存储领域的巨大应用潜力。未来，通过进一步优化CTS技术，有望将其拓展至其他电池材料的回收，推动锂离子电池回收技术的可持续发展，为资源循环利用和环境保护做出更大贡献。

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