李丽教授、赵逸副教授， AFM观点：锂锰协同直接再生原位修复废旧锰酸锂

废旧锰酸锂电池由于缺乏高效的整体回收方法，正面临严重的资源浪费与低回收率问题。值得注意的是，升级再生的LiMn₂O₄（U-LMO）作为水系锌基电池正极的研究极为匮乏，其工作反应机制的探索更是空白。本研究提出了一种新型锂/锰协同修复策略，将严重老化的LiMn₂O₄转化为高性能水系锌基电池用U-LMO正极材料。研究表明，锂/锰无序晶体结构使U-LMO具有更优的电子传输动力学特性和增强的Li⁺/H⁺共嵌能力。此外，增强的Li⁺吸附效率与可调节的H⁺脱嵌行为共同增强了U-LMO热力学稳定性，从而改善结构完整性。结果表明，组装的Zn//U-LMO电池展现出157.6 mAh g⁻¹的超高容量（超越其理论容量148 mAh g⁻¹）、卓越的倍率性能和良好的循环稳定性，显著优于商用及废旧LiMn₂O₄正极。该研究为基于Li⁺/H⁺共嵌入化学的先进锌基电池的高价值废锰酸锂电池回收开发提供了见解。

近日，来自北京理工大学的李丽教授与北京化工大学的赵逸副教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发标题为“Regulated Li+/H+ co-insertion of upcycled LiMn2O4 cathode with Li/Mn disorder for high-voltage aqueous Zn batteries”的研究文章。该文章提出了一种新型锂/锰协同修复策略，将废旧LiMn₂O₄升级再造为高性能水系锌电池正极材料。通过固态烧结修复工艺，再生形成的锂/锰无序结构不仅增强了电子传输动力学，还实现了可控的Li⁺/H⁺共嵌入行为，从而显著提升离子存储容量与结构稳定性。分析表明，这种反位点锂/锰无序结构既能抑制Jahn-Teller畸变，又可促进高效电荷转移和三维离子扩散。优化后的LiMn₂O₄正极材料展现出超高容量、卓越倍率性能和增强的循环稳定性，为电池可持续回收提供了创新解决方案。

要点一：废旧LiMn2O4失效机制

S-LMO的失效主要源于长期循环中Li⁺脱嵌导致的晶胞反复收缩与膨胀，引发晶体结构破坏、表面腐蚀及颗粒团聚。Mn³⁺的缺失及Mn⁴⁺/Mn³⁺价态失衡加剧了Jahn–Teller畸变。杂质相（如Mn₃O₄）的生成及电解质残留（F元素）进一步降低了材料的电化学活性。

要点二：直接再生与结构修复策略

采用锂锰协同修复的直接再生技术对S-LMO进行再生：将预处理后的S-LMO与LiOH・H₂O和Mn(CH₃COO)₂・4H₂O按比例混合，700°C烧结12小时，补充Li/Mn元素并重塑尖晶石结构。再生后的U-LMO恢复了规则的八面体晶型，Li/Mn摩尔比优化至1:1.67，形成Li/Mn无序结构，抑制了Jahn–Teller畸变，提升了结构稳定性。

要点三：再生材料的优异电化学性能

再生后的正极材料U-LMO展现出优于S-LMO和商业C-LMO的性能。循环伏安曲线显示其氧化还原峰电位差减小，极化电压降低，氧化还原动力学得到促进。在1C下，U-LMO初始容量为122.4 mAh g^-1（S-LMO仅46.9 mAh g^-1，C-LMO为110.4 mAh g^-1），183次循环后容量保持率87.83%（S-LMO为55.02%，C-LMO为76.99%）。在2C下，U-LMO经过282次循环后容量保持79%（86.51 mAh g^-1），而C-LMO和S-LMO在160次循环后容量保持率分别为74%和57.4%。倍率性能方面，U-LMO在5C时仍保持85.6 mAh g^-1，电流密度恢复至1C时容量可逆性达89.9%（109.3 mAh g^-1），显著优于S-LMO和C-LMO。

要点四：储能机理与研究意义

异位表征证实U-LMO在充放电过程中通过Li⁺脱嵌与H⁺嵌入协同作用提升了容量及可逆性。动力学分析表明U-LMO的电荷转移电阻显著降低，离子扩散系数提升，表面电容贡献占比达66.46%（0.3 mV s^-1）。DFT计算表明Li/Mn无序结构降低了Li吸附能（-0.320 eV），增强了电子导电性，窄化了带隙。本研究为废旧LiMn₂O₄正极材料的直接升级再生提供了低能耗、绿色的技术路径，为高性能水系锌电池的开发奠定了材料基础，同时为废旧锂离子电池的高值化回收提供了新思路，推动了储能领域的可持续发展。

李丽教授简介：北京理工大学材料学院教授、博士生导师。长期从事新型绿色二次电池关键材料设计、废旧电池回收处理与资源化利用、绿色二次电池衰减机理与失效分析等研究。在国内外学术会议上作特邀报告90余次，多次担任中美两国双边会议锂离子电池回收技术分会主席。在Chemical Reviews、Advanced Materials等学术期刊发表SCI论文300余篇，授权国家发明专利30余项。主编出版4部学术专著和教材《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》、《可再生能源导论》、《绿色能源材料导论》；参编5部学术专著、6项中国汽车及动力电池标准；入选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、北京市优秀人才和北京市科技新星、科睿唯安“全球高被引科学家”、爱思唯尔“中国高被引学者”。作为第一完成人，获中国有色金属工业协会科学技术一等奖、中国石油和化学工业联合会青山科技奖；作为主要完成人，获省部级科学技术一等奖5项。

赵逸副教授简介：北京化工大学化学学院副教授。主要从事储能电池关键电极材料研究。现承担或者联合申请国家自然科学基金重点研发计划、国家自然科学基金青年项目、国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金青年项目、博士后面上资助基金、中石油深圳能源研究院课题等。目前以第一/通讯作者已在Adv. Mater.(2篇)，Angew. Chem.Int. Ed.，Energy Environ. Sci.(2篇)，eScience(2篇)，Adv. Funct. Mater., Mater. Horizon，Energy Storage Mater.(2篇)，Small(3篇)，Nano Res.，J Mater. Chem. A，ACS Appl. Mater. Inter.等高水平期刊发表SCI论文30余篇,被引>1500次, h因子21。个人主页https://www.researchgate.net/profile/Yi-Zhao-175/research

陈岑，北京理工大学材料工程硕士，研究方向为锂离子电池正极材料回收与水系锌离子电池锰基正极材料。以第一作者身份在Adv. Funct. Mater.发表论文，提出废旧锂离子电池中LiMn₂O₄的回收与再利用创新技术，为高性能锌离子电池的开发提供了新思路。此外，参与多项国家级科研项目，成功研发有机插层技术提升锌离子电池性能。曾获第五届全国大学生可再生能源科技竞赛全国一等奖、北京市优秀毕业生、校级优秀研究生特等奖学金等荣誉。

课题组聚焦新能源材料与智能电池新体系开展科学研究，方向包括但不限于先进电池及关键材料创新研发、新型绿色二次电池可持续研究、智能电池及能源互联技术开发、新型储能系统及安全防护设计开发、新能源材料基因工程及模拟仿真、海洋能源、碳中和等领域。