近日，物理學院吳興隆教授團隊在《Advanced Materials》等國際著名學術期刊發表廢舊鋰離子電池材料再利用相關的系列研究論文。鋰離子電池已廣泛應用于快速發展的電動汽車等領域，在其被使用至壽命終點而變成廢舊電池時，進行合理的回收與再利用是一個迫在眉睫的任務。傳統的回收方法主要依賴于破壞材料原有結構，從而回收高價值金屬元素，在處理過程中往往面臨著經濟和環境的限制。因此，優先考慮經濟效益和可操作性，才能讓廢舊鋰離子電池材料的直接再生利用更具有開發價值。然而，電極材料晶體結構降解或坍塌所帶來的不可逆相變，嚴重阻礙著回收與再利用效率，是再生進程中的重點和難點。同時，不當的儲存和處置方式可能導致退役電池材料的進一步失效，使回收再生過程更為復雜化，其中的結構與缺陷修復、非活性相組分消除等科學問題也亟待解決。
針對磷酸鐵鋰（簡寫為LFP）廢舊正極材料回收再生的重點問題，團隊利用配位鏈二乙醇胺（簡寫為DEA）分子在電化學過程中與Zn2+和Fe3+相互作用的不同，簡化廢舊LFP的再生過程，通過調整LFP主結構并提升相變可逆性，以配位作用來持續修復LFP中的失效區域，將無法使用的LFP電池修復再生為長循環穩定的LFP電池。該工作為以綠色和經濟效益為導向的電極材料再生，以及高效簡化廢舊電池的大規模回收修復流程提供了重要的指導。該成果以“Dynamic Li+ Capture Through Ligand-Chain Interaction for the Regeneration of Depleted LiFePO4 Cathode”為題，發表于材料類國際著名期刊Advanced Materials（2024, 36, 2308927）上。成果第一作者為博士生趙欣欣。
圖1 配位鏈動態捕獲Li+再生廢舊LiFePO4正極
團隊還創新性地開發了一種不同于傳統再生的快速、綠色和低成本的再生工藝來修復廢棄的LFP正極。采用高溫超快焙燒工藝，僅需20秒即可獲得顯著再生效果，其晶體結構可完全恢復到原來狀態。再生后的LFP，其電化學性能得到顯著提升。這種既省時又節能的再生工藝，契合LFP廢舊材料的實際修復中的成效需求，可以為廢舊鋰離子電池正極的快速高效修復和進一步利用提供獨特的路線。該成果以“Direct and rapid regeneration of spent LiFePO4 cathodes via a high-temperature shock strategy”為題，發表于工程技術類國際著名期刊Journal of Power Sources（2023, 587, 233697）上。成果第一作者為博士生鄭碩航。
圖2 高溫熱沖擊實現廢舊LiFePO4正極材料的高效快速再生
針對傳統廢舊LFP電池回收工藝經濟性差的問題，團隊直接再利用廢舊LFP，從鹵水中提取鋰金屬，并在電化學過程中獲得良好的鋰容量和分離性能。該工作為廢舊鋰離子電池回收利用提供有效策略的同時，也開拓了提取鋰元素的新思路（Chinese Chemical Letters, 2023, 34, 107706）。考慮到可持續和高經濟效益，將廢舊鋰離子電池的氧化物正極材料直接應用于鈉離子電池，從而實現了廢舊鋰電材料的直接再利用，該回收理念不僅展現出直接再利用的經濟可持續策略，還為下一代鈉離子電池的大規模應用提供了“變廢為寶”的原材料（Rare Metals, 2023, 42, 1603–1613）。
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https://doi.org/10.1002/adma.202308927
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.233697
https://doi.org/10.1016/j.cclet.2022.07.049
https://doi.org/10.1007/s12598-022-02230-8
