合肥工业大学|张卫新教授课题组Appl Catal B Environ: 电场驱动助力退役锂电回收新思路- 大数跨境

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合肥工业大学|张卫新教授课题组Appl Catal B Environ: 电场驱动助力退役锂电回收新思路

科学材料站

2020-10-26

导读：该观点文章提出了一种基于直流电场驱动脱锂的绿色综合回收策略，同时对该策略进行了系统的研究。

文章信息

电场驱动脱锂：一种综合高效回收退役锂离子电池电极材料策略

第一作者：吕洪，黄海舰

通讯作者：张卫新*，杨则恒*

单位：合肥工业大学化学与化工学院，先进催化材料与反应工程安徽省重点实验室

研究背景

随着锂离子电池（LIB）在各类电子产品和电动汽车中的广泛应用，由于容量衰减而报废的锂离子电池数量呈现指数递增趋势，如何高效回收废旧锂离子电池成为迫在眉睫的问题。

目前，传统的回收处理方法主要包括火法冶金、湿法冶金和生物冶金等方法。其中，火法冶金法和湿法冶金法虽具有规模化生产的优势，但较高的能耗和环境污染问题成为其深入推广应用的阻碍。生物冶金法是利用微生物新陈代谢产生的酸来溶解金属的方法对退役锂离子电池材料加以回收。该方法经济环保，但耗时较长。

本篇论文提出了一种基于直流电场驱动脱锂的绿色综合回收新策略，绿色高效提取并回收废旧锂离子电池正极材料中的锂，伴随电场驱动脱锂过程会副产大量绿色H2能源；同时，脱锂后的电极材料具有高比表面积、快速电荷传导能力，用作析氧反应（OER）催化剂时表现出高电催化活性。

所报道的回收处理方法为废旧锂离子电池电极材料的综合回收处理与循环再利用提供了全新的思路和方法，做到“材尽其用、变废为宝”。

文章简介

近日，来自合肥工业大学的张卫新教授课题组，在国际著名刊物Applied Catalysis B: Environmental（影响因子：16.683）上发表题为“Electric field driven de-lithiation: A strategy towards comprehensive and efficient recycling of electrode materials from spent lithium ion batteries”的观点文章。

该观点文章提出了一种基于直流电场驱动脱锂的绿色综合回收策略，同时对该策略进行了系统的研究。

本文要点

要点一：报道了一种绿色高效综合回收废旧锂离子电池正极材料策略

电场驱动脱锂的回收过程具有绿色、高效等优点。脱出的锂以Li3PO4沉淀的形式回收，回收率接近85-90%；伴随脱锂过程会产生大量的氢气，可进一步收集作为绿色能源利用；经过脱锂后的正极材料可以作为高效的析氧反应催化剂。

特别地，部分脱锂后的Li0.4Ni0.5Co0.2Mn0.3O2材料表现出优异的电催化活性，在20mA cm-2下具有221mV的低过电位和67mV dec-1的低Tafel斜率，其催化性能甚至超过了之前报道的一些贵金属氧化物。

Schematic illustration of the electric field driven de-lithiation process for recycling the ternary LiNixCoyMnzO2 electrode materials.

要点二：系统地研究并证实了本回收策略的通用性

以商业化应用的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元电极材料为案例，研究了外加电压和搅拌速率等因素对电场驱动脱锂过程的影响规律。结果表明，搅拌速率提高到700 r min−1时，脱锂过程加快，这主要是由于快速的搅拌可以降低浓度极化并有效消除H2气泡在电极表面的积聚，减小回路电阻；但当搅拌速率继续提高至1000 r min−1时，其对脱锂过程的影响不明显。

综合考虑效率与经济成本，电场驱动脱锂过程采用700 r min−1的搅拌速率。针对外加电压对脱锂过程的影响，实验发现，随着电压的升高，脱锂效率得到提升，当外加电压为2.0 V时，LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的脱锂效率可高达91.37%。在上述研究基础上，采用该电场驱动脱锂方法，对一系列其他商业化锂离子电池正极材料（包括LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiCoO2、LiMn2O4和LiFePO4）的回收利用进行了系统的拓展实验研究。结果表明，该回收策略对于锂离子电池正极材料的回收处理具有广泛的适用性。

(a) The change of the conductivity/resistivity and (b) pH value of the aqueous solution with time (Experimental parameters: applied voltage of 2.0 V, stirring rate of 700 r/min). (c) The solution conductivity vs. time profiles at different stirring rates and (d) different voltages during de-lithiation.

要点三：揭示了脱锂后正极材料高电催化活性的机理

系统比较了LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元电极材料在脱锂前与脱锂后的电催化性能。

结果表明，脱锂后的Li1-δNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料在OER催化上表现出如下优势：（i）在外加电场驱动下，层状正极材料可被剥离成二维薄片，从而表现出更高的比表面积和更大的总孔隙体积；（ii）脱锂后的Ni-O、Co-O和Mn-O键具有更明显的共价键属性，在Ni 3d-O 2p、Co 3d-O 2p、Mn 3d-O 2p杂化轨道中能够产生更多的空穴，从而提升电荷的传导速率；（iii）脱锂后Li1-δNi0.5Co0.2Mn0.3O2中的Ni氧化态升高，使吸附的O电负性增强，有利于推动OH-和吸附O原子反应生成-OOH，而该反应是OER反应中的速率控制步骤。

(a) XPS survey spectra and high-resolution XPS spectra of (b) Ni 2p, (c) Co 2p, (d) Mn 2p, (e) Li 1s, and (f) O 1s for the representative Li1-δNi0.5Co0.2Mn0.3O2 samples (δ = 0.9, 0.6, 0.4, 0).

a) Polarization curves, (b) Overpotentials at 20 mA cm−2, (c) Tafel plots at 20 mA cm−2 and (d) Tafel slopes of the de-lithiated Li1-δNi0.5Co0.2Mn0.3O2 (δ = 0.9, 0.6, 0.4, 0) samples. (e) Long-term chronopotentiometric stability of Li0.4Ni0.5Co0.2Mn0.3O2 and LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 at 20 mA cm−2.

要点四：总结

寻找绿色、经济的方法回收废旧锂离子电池将会是未来锂离子电池电极材料研究的一个热点方向。传统的火法冶金法的简便性使其易于工业化应用，但其耗能大，会导致锂的损失，且过程会产生有毒有害烟气。

湿法冶金虽然可以抑制这些弊端，但又会残留大批废液，导致环境污染问题。生物冶金法具有经济环保的优势，但受制于较高的时间成本。

本论文研究工作通过巧妙的实验设计，基于直流电场驱动脱锂，将废旧的锂离子电池正极材料整体高效转化为高附加值用途的催化剂，同时实现了锂离子高效回收、清洁H2能源生产以及OER反应的高效催化，具有简易、绿色、高效的特点，为退役锂离子电池的回收提供了新思路。

文章链接

Electric field driven de-lithiation: A strategy towards comprehensive and efficient recycling of electrode materials from spent lithium ion batteries.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119634

通讯作者介绍

张卫新教授，合肥工业大学化学与化工学院教授、博士生导师

可控化学与材料化工安徽省重点实验室副主任，享受国务院政府特殊津贴和安徽省政府特殊津贴专家，获聘二级教授。重点开展高能量密度、高稳定性、高安全性锂离子电池的研发与退役电池的回收与综合利用等研究。先后主持完成国家及省部级研究课题10余项，在国际重要学术刊物Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Acc. Chem. Res.、Appl. Catal. B: Environ.、Chem. Eng. Sci.、AIChE J.、J. Power Sources等上发表研究论文130余篇。授权国家发明专利14项，其中2项专利有偿转让给相关企业，产生显著的经济效益与社会效益。以第一完成人获安徽省科学技术二等奖、安徽青年科技奖等。兼任中国化工学会储能工程专业委员会委员，中国颗粒学会颗粒制备与处理专业委员会委员，《电源技术》编委会委员，安徽省“115”产业创新团队与安徽省高等学校“化工新材料制备与过程技术”科技创新团队负责人。

课题组介绍

请见课题组网址https://www.x-mol.com/groups/hfut411group

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