华中科大谢佳教授Energy Storage Materials：通过多功能的化学修复策略直接再生废旧的正极材料

第一作者：刘威

通讯作者：谢佳*，彭林峰*

单位：华中科技大学

随着锂离子电池 (LIBs) 产业的快速发展，即将到来的大规模电池退役潮为资源回收和环境保护带来了重大挑战。退役锂电池中含有大量有价值的金属和功能材料，若能实现高效回收利用，不仅可以缓解关键资源短缺问题，还能显著减少环境污染。因此，废旧磷酸铁锂（LiFePO₄）材料的直接再生成为一种极具前景的解决方案。与传统的湿法冶金回收相比，直接再生通过恢复降解正极材料的结构和性能，避免了复杂的金属分离和提纯过程，从而大幅简化了回收工艺。然而，目前的直接再生方法主要针对严重降解的正极黑粉材料，通常采用无机锂盐固相烧结或水热结合退火技术。这些方法虽然有效，但对轻度降解的LiFePO₄材料却显得不够灵活——将轻度降解的电极材料转化为黑粉材料不仅增加了处理步骤，还可能造成资源浪费。因此，开发一种多功能的废旧电池修复和再生技术至关重要。这种技术不仅要能够高效处理废旧正极黑粉材料，还需具备直接原位修复轻度降解电极材料的能力，从而简化工作流程、提高资源利用效率，为可持续的LIBs回收提供创新解决方案。

基于此，华中科技大学的谢佳教授与彭林峰博士在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Versatile chemical repair strategy for direct regeneration of cathode materials from retired lithium-ion battery”的研究论文。该论文提出了一种基于化学锂化的高兼容性修复策略，用于再生不同降解程度的废旧LiFePO₄材料。研究团队设计了一种多功能联吡啶-锂试剂，通过自发化学反应结合快速退火处理，实现了结构完整性恢复的同时进行氮掺杂改性，从而高效再生高度降解的废旧LiFePO₄黑粉材料。该方法还能够在不破坏电极结构的前提下，直接修复轻度降解的LiFePO₄电极并提升其性能。这一研究成果为直接再生不同降解程度的废旧正极材料提供了全新的思路，为推动电池行业循环经济发展和实现可持续发展目标铺平了道路。

图1. 不同降解程度的废旧正极材料直接再生过程示意图。

常见的多环芳烃-锂/醚类溶剂复合物（如联苯、萘、菲等）因其独特的氧化还原特性，可作为有效的锂源和还原剂。然而，这些试剂的高反应活性往往伴随着显著的放热效应，使得精确控制反应过程变得复杂。此外，在原位化学锂化电极过程中，过强的还原性会导致集流体腐蚀和和粘结剂失效等问题。本研究通过系统评估多种有机锂化试剂的性质（包括氧化还原电位兼容性、可扩展性和成本效益），首次开发出联吡啶-锂复合物（Bpy-Li）作为最佳锂化试剂。该试剂不仅能高效再生废旧正极黑粉材料，还可直接原位修复轻度降解的电极材料，且不会影响电极结构及性能。这一过程省去了复杂的预处理步骤，充分体现了该试剂的高兼容性和优越性。

要点二：重度降解LiFePO₄正极材料黑粉的直接再生

严重降解的LiFePO₄材料因存在结构缺陷和颗粒开裂等不可逆的结构损伤问题，单靠成分调整难以完全修复。传统方法通常需要将材料从集流体中分离出来，再通过化学锂化结合高温退火的方式以恢复相组成和晶体结构，最终以黑粉的形式回收利用。本研究创新性地开发了一种多功能Bpy-Li试剂体系，通过一步化学锂化结合热退火工艺，实现了LiFePO₄材料的协同再生。该方法不仅完成了精准的锂补偿和结构重构，还同步实现了碳涂层修复和原位氮掺杂改性。这种“三位一体”的集成策略显著提升了再生材料的性能。再生的LiFePO₄材料在 0.1C 下的比容量达到 164 mAh g⁻¹，在 0.5C 下循环500次后仍保持初始容量的90% 。此外，氮掺杂显着改善了动力学性能，使再生材料在 10C倍率下的比容量达到 96 mAh g⁻¹，较未掺杂样品提升了37% 。

要点三：轻度降解LiFePO₄极片的直接原位化学修复

对于轻度降解的LiFePO₄材料，由于其不可逆结构损伤较小，性能下降主要归因于锂损失和二次相形成。因此，这类材料可通过简单的原位化学修复过程直接再生。实验结果表明，经修复后的电极在0.1C下的初始容量较未处理样品提升了10%。软包电池测试进一步验证了其优异的循环性能，在1C倍率下循环400圈后，仍保留78%的初始容量。该方法通过消除复杂的预处理步骤，显著简化了工艺流程，在不破坏废旧LiFePO₄电极结构的同时实现了部分性能恢复，为延长退役电池寿命提供了新的范例。

要点四：工艺及经济优势

本研究所开发的化学锂化过程在室温下快速且自发进行，避免了传统高温高压水热再锂化过程中的高能耗和操作复杂性。此外，所选锂化试剂表现出良好的可循环利用性，显著降低了生产成本，从而提升了综合经济效益。总体而言，该方法兼具工艺通用性、操作简单性和经济可行性，为退役电池的直接回收提供了一条高效可行的途径，具有重要的实际应用价值。

“Versatile chemical repair strategy for direct regeneration of cathode materials from retired lithium-ion battery”

谢佳教授简介：华中科技大学教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，国家高层次人才计划青年项目入选者，科技部重点研发计划和青年973项目首席科学家，英国皇家化学学会Fellow，先进电工材料与器件研究中心副主任，IEEE PES中国区储能材料与器件技术分委会副主席。2002年和2008年在北京大学和斯坦福大学分别获学士和博士学位，曾任美国陶氏化学资深研究员、合肥国轩高科研究院院长。主要从事电化学储能研究，主持储能电池领域重点研发计划、青年973、基金委杰青和联合基金重点等多个国家级项目，以第二完成人荣获国家科技进步二等奖，以第一完成人荣获新疆科技进步一等奖、中国电工技术学会科技进步一等奖和首届青年科技奖。以第一/通讯作者发表SCI论文200余篇，获专利授权100余项。担任《储能科学与技术》编委和Interdisciplinary Materials学术编辑。

彭林峰博士简介：华中科技大学电气与电子工程学院博士后（合作导师程时杰院士），博士毕业于华中科技大学谢佳教授课题组，主要从事硫化物固态电解质、全固态电池、补锂和锂回收等方面的研究。以第一作者或通讯作者在Nature Communications, Advanced Energy Materials, Energy Storage Materials等期刊发表论文十余篇。

华中科技大学电能存储与转换研究课题组成立于2015年，依托华中科技大学电气与电子工程学院强电磁技术全国重点实验室，主要致力于新能源电池及电池关键材料的研究与能源存储及转换技术开发。

课题组网站：http://rest.seee.hust.edu.cn

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