北理工AEM：突破瓶颈！双向晶格锚定让废旧三元正极 “重生即高配”

第一作者：朱阿辉

通讯作者：李丽*，陈人杰*，范二莎*

单位：北京理工大学

全球锂离子电池市场快速扩张，退役电池规模持续增长，高值化、短流程回收成为循环经济核心需求。传统火法/湿法冶金流程复杂、环境负荷高；常规直接再生仅能修复中镍NCM（如 LiNi0.54Co0.16Mn0.3O2，SNCM），比容量为170 mAh∙g-1，难以满足高能量密度需求。将废旧中镍NCM升级为镍含量＞80% 的高镍正极，是提升回收价值的关键路径。但固态升级回收存在废旧SNCM表面结构无序、锂扩散通道受阻、锂化能垒高以及富镍中间相高温下易出现阳离子混排、晶格氧流失、结构稳定性差的瓶颈。

近日，北京理工大学李丽、陈人杰、范二莎团队，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Bidirectional Lattice Anchoring Enhances Composition Reconfiguration of Spent Lithium-Ion Cathodes”的文章。该文章提出双向晶格锚定（BDLA） 策略，通过在废旧NCM与Ni (OH)2前驱体表面同步预锚定Al物种，精准调控升级回收的动力学与热力学，成功将废旧中镍NCM重构为结构稳定、性能优异的高镍层状正极，为固态直接升级回收提供全新技术路线。

BDLA策略采用 AlCl3溶液预处理，在SNCM与Ni (OH)2表面实现 Al-O强共价键锚定，既可以对废旧NCM 拓宽 Li+扩散通道，将锂化能垒从2.51 eV 降至1.71 eV 并加速结构修复，也能够对富镍中间相重构电子结构，增强晶格氧稳定性，抑制Li-Ni混排与高温相退化，从根源解决固态升级回收中结构无序、相分离、组分偏析三大难题。

经BDLA升级后的正极（A-UNCM）实现了镍含量从53.7% 提升至≈80%并形成从表面到体相的镍浓度梯度，层状结构高度有序，I (003)/I (104)=2.57，Li/Ni反位缺陷仅3.56%，远低于常规UNCM的9.77%，同时表面无岩盐相杂质，体相阳离子无序程度显著降低。

A-UNCM展现出优于商业材料的电化学表现，在0.2C倍率下可逆容量达到186.84 mAh∙g-1，较原始SNCM提升约47%，1C倍率循环200圈容量保持率为90.17%，5C 高倍率下仍保留 0.2C 容量的 85.19%，倍率性能远超常规再生样品，在全电池体系中循环稳定性同样优势显著。

基于EverBatt 2023模型评估，BDLA固态升级回收优势突出，流程短无需浸出、萃取、共沉淀等湿法步骤，成本低，材料成本9.86 USD/kWh，净利润达18.10 USD/kWh，为直接再生的1.24倍、湿法回收的3.26倍，绿色低碳，能耗较湿法降低60%以上，温室气体排放与水耗大幅下降，且预处理 AlCl3溶液可简单过滤回收复用。

该研究首次明确动力学（锂扩散）+ 热力学（结构稳定）协同调控是高镍化升级回收的核心，BDLA策略为废旧层状氧化物正极的高值化、规模化固态再生提供通用方案，无需高压、熔盐等苛刻条件，适配工业生产，助力碳中和与电池闭环供应链建设。

Bidirectional Lattice Anchoring Enhances Composition Reconfiguration of Spent Lithium-Ion Cathodes

李丽教授简介：北京理工大学材料学院教授、博士生导师，教育部长江学者特聘教授，英国皇家化学会会士，教育部新世纪优秀人才，北京市科技新星、北京市优秀人才。2004 年获北京理工大学工学博士学位，2011–2012年于美国阿贡国家实验室任高级访问学者，长期从事环境与能源材料、动力电池循环利用领域研究。作为项目负责人主持国家 863计划、973计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金等国家级项目30余项。聚焦废旧电池资源化回收、电池失效评估、绿色电池材料设计三大方向，取得系列原创性成果。在Advanced Materials、Energy & Environmental Science 等国际知名期刊发表 SCI 论文200余篇，H指数76；授权国家发明专利18项、软件著作权5项；主编《动力电池梯次利用与回收技术》《锂离子电池回收与资源化技术》两部行业权威专著。以第一完成人获 2022 年度中国有色金属工业协会科学技术一等奖、青山科技奖，累计获省部级科技进步与发明一等奖 4 项。现任动力电池循环利用联盟技术专家委员会副主任、IEEE PES 中国区技术委员会常务理事，担任 Batteries、《储能科学与技术》等期刊编委及多个国际权威期刊客座编辑，是锂电回收与绿色储能领域具有重要国内外影响力的学术带头人。

陈人杰教授简介：北京理工大学材料学院教授、博士生导师，国家级北京电动车辆协同创新中心研究员，教育部长江学者特聘教授，英国皇家化学学会会士，科睿唯安“全球高被引科学家”，教育部新世纪优秀人才。2005年获北京理工大学工学博士学位，2005–2007年在清华大学从事博士后研究，2012–2013年于英国剑桥大学访学，2007年至今任教于北京理工大学。主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、863计划、国际科技合作等多项国家级重大课题。聚焦高比能电池新体系、功能电解质、特种电源及电池资源化利用等方向，研制出300–600 Wh/kg高能量密度锂硫电池，开发多种新型电解质与薄膜电源器件，成果已在新能源汽车、无人机、特种装备等领域应用。以通讯/第一作者在Chemical Reviews、Advanced Materials、Nature Communications、Advanced Energy Materials等顶级期刊发表SCI论文300余篇，授权发明专利50项，出版学术专著2部，获国家技术发明二等奖、省部级科学技术一等奖等重要奖励。 现任国家部委能源专业组委员、中国材料研究学会理事等多个学术职务，长期致力于能源材料与先进电池领域的科研创新、人才培养与成果转化。

范二莎副研究员简介：主要从事二次电池低碳绿色回收与资源再生、电池失效与安全性评估等研究工作。在Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、Energy Storage Materials、Journal of Hazardous Materials、Small等国内外顶级期刊发表学术论文30余篇，获授权发明专利4项，软件著作权6项，作为编委出版学术专著2部。主持国家自然科学基金、山东省自然科学基金、博士后特别资助及面上资助、重点实验室开放基金等项目，作为科研骨干参与国家重点研发计划、北京市自然科学基金（重点研究专题）等项目。荣获第十届中国科协青年人才托举工程、北京理工大学优秀博士论文等荣誉。作为完成人获得中国材料研究学会科学技术一等奖1项、中国有色金属工业科技进步奖一等奖1项。

朱阿辉，北京理工大学珠海校区博士研究生。研究方向为废弃锂电池关键电极材料绿色高值化利用。在WASTE MANAGEMENT、RESOURCES CONSERVATION AND RECYCLING、ADVANCED ENERGY MATERIALS等国际期刊发表多篇，其中高被引论文1篇，并参与申请发明专利两项。