武漢理工大學(xué)木士春J. of Energy Chem.綜述！退役鋰離子動(dòng)力電池三元正極材料的降解機(jī)制、直接再生與升級回收策略
材料研究進(jìn)展 2024年11月24日 14:30 陜西
1研究背景
隨著電動(dòng)汽車的迅猛發(fā)展，動(dòng)力型鋰離子電池（LIBs）行業(yè)迎來了蓬勃發(fā)展。然而，由于動(dòng)力電池的有限使用壽命，大量電池即將面臨退役，這不僅帶來了環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)，還意味著資源的浪費(fèi)。廢棄的LIBs中含有的重金屬如鎳（Ni）、鈷（Co）和銅（Cu）等會(huì)對土壤和水源造成污染，而電解液中的六氟磷酸鋰（LiPF6）分解產(chǎn)生的有害氣體則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的氟污染。因此，對退役動(dòng)力電池進(jìn)行回收處理變得迫在眉睫。同時(shí)，電池生產(chǎn)所需的鋰、鎳、鈷和錳等元素分布不均，開采成本高，如果能從廢棄電池中提取這些有價(jià)值的金屬，將有效緩解資源短缺問題，具有極大的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性。作為電池的關(guān)鍵組成部分，正極材料是退役電池中最有價(jià)值的部分，尤其是鎳鈷錳（NCM）三元正極材料，因其含有高價(jià)值金屬如鎳、鈷和錳，回收價(jià)值更高。當(dāng)前，NCM材料的回收主要采用級聯(lián)利用、高溫冶金、濕法冶金和直接修復(fù)再生等方法。然而，這些傳統(tǒng)方法存在能耗高、二次污染嚴(yán)重等問題。因此，探索低成本、綠色、節(jié)能和高效的電池回收方法變得尤為迫切。直接修復(fù)再生方法，通過分子水平上的結(jié)構(gòu)修復(fù)，避免了將金屬合金或金屬鹽轉(zhuǎn)化為電極材料的復(fù)雜過程，實(shí)現(xiàn)了電池整個(gè)生命周期的閉環(huán)循環(huán)，使回收過程更短、更高效、更節(jié)能。
2成果簡介
在這項(xiàng)研究中，研究人員首先討論了NCM材料的各種失效機(jī)制，包括元素?fù)p失、Li/Ni混合、不可逆相變、結(jié)構(gòu)缺陷、氧釋放和表面降解與重構(gòu)，尤其是高電壓下的不同失效模式，并試圖建立不同失效機(jī)制之間的關(guān)聯(lián)。其次，分析和總結(jié)了近年來開發(fā)的用于失效NCM的各種直接再生方法，包括固相燒結(jié)再生、共晶鹽輔助再生、溶劑熱再生、溶膠-凝膠法再生、噴霧干燥修復(fù)和氧化還原介導(dǎo)再生。基于NCM材料的再生，進(jìn)一步討論和總結(jié)了失效NCM材料的升級回收策略，包括單晶化、高鎳化、獨(dú)特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面工程和離子摻雜。最后，指出了NCM材料直接再生面臨的挑戰(zhàn)和對策，并展望了失效NCM材料直接再生技術(shù)的未來發(fā)展方向。
3圖文導(dǎo)讀
圖1 LIBs的級聯(lián)利用路徑示意圖（a），以及高溫冶金、濕法冶金和直接回收路線的示意圖（b）。
圖2 NCM正極材料直接再生和升級回收的示意圖。
圖3 Li+損失和Li/Ni混合（a），過渡金屬TM溶解（b），O1相和O3相共存引起的晶格失配（c），以及層狀相轉(zhuǎn)變?yōu)閹r鹽相和尖晶石相（d）。
圖4 Li+提取/插入過程中的晶格旋轉(zhuǎn)（a），裂紋對Li+擴(kuò)散路徑的影響（b），不同電壓范圍內(nèi)NCM材料的平面滑動(dòng)（c），以及應(yīng)力下的平面滑動(dòng)和裂紋（d）。
圖5 NCM材料中氣體的產(chǎn)生（a），暴露在空氣中的富鎳材料表面變化（b），以及富鎳正極材料表面固態(tài)電解質(zhì)界面的微觀結(jié)構(gòu)和組成（c）。
4小結(jié)
研究人員通過深入分析NCM正極材料的失效機(jī)制，為失效NCM材料的直接再生方法和升級回收策略提供了寶貴的指導(dǎo)。這項(xiàng)研究不僅有助于設(shè)計(jì)高效率的NCM及其他正極材料的直接再生路線，還為實(shí)現(xiàn)電池材料的高效、高值回收提供了新的思路。面對即將到來的動(dòng)力電池退役潮，這項(xiàng)研究為環(huán)保和資源再利用提供了重要的科學(xué)支持，對于推動(dòng)可持續(xù)能源發(fā)展具有重要意義。
文獻(xiàn)：
https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.11.016