南昌大学费林峰/中科大吴长征等ACS Nano：中间相引导重构将退役磷酸铁锂材料转化为高性能钠离子正极材料

第一作者：杨卓立，王鹏，刑春贤

通讯作者：费林峰，吴长征

单位：南昌大学，中国科学技术大学

磷酸铁锂（LiFePO₄）基锂离子电池凭借高安全性和长循环寿命，已占据电动汽车、储能系统超过三分之一的市场份额。但随着电池陆续退役，其环保处理与资源回收成为亟待解决的难题。目前主流的回收工艺聚焦于提取高价值的锂元素，而提锂后产生的磷酸铁（FePO₄，简称FPO）残渣往往被作为废物丢弃。这不仅造成铁、磷等宝贵资源的严重浪费，还会带来潜在的环境安全风险。与此同时，由于锂价格的高昂且储量有限，推动学术界和工业界将目光转向钠离子电池——钠资源丰富、成本低廉，是下一代大规模储能的理想选择。在此背景下，本文提出了一种“变废为宝”的回收策略：将退役LiFePO₄电池提锂后得到的FPO残渣，直接升级再生为高性能钠离子电池正极材料。

本研究开发了一种简单、绿色且可规模化的两步转化工艺，成功将FPO残渣转化为磷酸铁焦钠（Na_3.12Fe_2.44(P₂O₇)₂，简称 NFP₂O₇）。整个工艺核心包括“球磨辅助元素补偿”和“中间相引导结构转化”两个关键步骤：首先通过球磨减小FPO残渣的粒径，并补充钠源、磷源和碳源，实现元素配比的调控；随后通过高温热处理，在中间相（NaXFePO₄）的引导下，完成从 FPO 到 NFP₂O₇的结构重构，最终得到的 NFP₂O₇/C 材料表现出卓越的容量保持率（在1 C倍率下循环800次后为97.5%）和优异的倍率性能（在30 C倍率下容量为45.7 mAh g^-1）。这种将废物转化为高价值新兴材料的方法具有经济效益高、简单且可规模化的优点，为LiFePO₄基电池的高效回收提供了可持续的解决方案。值得一提的是，本研究还借助原位透射电子显微镜（TEM）和原位X射线衍射（XRD）等先进表征技术，清晰揭示了这一转化过程的动态机理和结晶动力学，为后续材料合成优化提供了关键理论支撑。

相较于传统回收技术复杂的流程，本文提出的回收方法步骤更加简洁高效。在此过程中，FPO残渣被作为零成本原料实现充分利用。这一设计不仅从源头大幅削减了回收成本，更有效减少了资源闲置浪费与环境污染，实现了“降本”与“环保”的双重价值。通过系统的经济技术分析验证，与火法、湿法冶金等传统工艺相比，该方法在成本、收益、温室气体排放和能耗上均具有显著优势，具备极强的产业化潜力，为该领域的绿色回收提供了切实可行的技术路径。

通过多种原位表征技术，明确了中间相引导FPO向NFP₂O₇/C材料转化的过程，证实了中间相在缓解结构差异、降低能量壁垒中的关键作用。这一发现为退役电极材料的定向转化提供了新的理论指导。

最终制备的NFP₂O₇/C-7%（碳含量7%）材料表现出优异的电化学性能：在 30 C 的超高倍率下，容量仍可达 45.7 mAh g^-1；在1 C 倍率下循环 800 次后，容量保持率高达 97.5%，其性能与文献中基于新鲜原料合成的钠离子电池正极材料基本相当，完全满足实际应用需求。这项研究不仅为退役磷酸铁锂电池的高价值回收提供了新路径，也为钠离子电池正极材料的低成本制备开辟了新思路。