資源的可持續(xù)性需求將廢舊鋰離子電池(LIBs)的回收提升到戰(zhàn)略地位。由于高附加值和處理工藝簡(jiǎn)單，直接回收優(yōu)于濕法冶金或火法冶金方法。然而，傳統(tǒng)的直接回收技術(shù)僅適用于貧鎳/中鎳正極。

在此，中南大學(xué)陳根副教授、周江教授、韓俊偉副教授團(tuán)隊(duì)采用簡(jiǎn)單而有效的LiOH-NaCl熔鹽將廢的富鎳LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂(S-NCM)直接回收到性能增強(qiáng)的單晶正極材料中。

本文系統(tǒng)地研究了再生過程中Li的補(bǔ)充和再結(jié)晶的演化過程，并全面地證明了高度退化的顯微組織的成功恢復(fù)，包括Ni²⁺和O空位的顯著消除。

再生后的納米碳管(R-NCM)由于具有良好的單晶結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電化學(xué)活性、充放電過程中的氧氣和裂紋抑制能力顯著增強(qiáng)，在長(zhǎng)期循環(huán)和高倍率測(cè)試中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

圖1. 鎳在不同健康狀態(tài)下的層狀晶體結(jié)構(gòu)和晶場(chǎng)分裂示意圖

總之，該工作開發(fā)了一種可行的一步共晶LiOH-NaCl體系，將多晶S-NCM轉(zhuǎn)化為性能增強(qiáng)的再硫化和單晶正極。結(jié)果表明，足夠長(zhǎng)的保溫時(shí)間和合適的處理溫度是鋰重新嵌入和晶粒長(zhǎng)大的必要條件。此外，F(xiàn)IB-SEM、FIB-TEM和EELS技術(shù)準(zhǔn)確地揭示了S納米復(fù)合材料退化結(jié)構(gòu)的良性修復(fù)(巨大的微裂紋和嚴(yán)重的相變以及表面Ni和O元素的顯著變化)。通過與C-NCM的比較發(fā)現(xiàn)，R-NCM可以有效地抑制H2+H3相變和充放電過程中的Bragg偏差，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

因此，R-NCM在相變、氧化還原能力和充放電過程中的O₂釋放行為等方面表現(xiàn)出全面的優(yōu)勢(shì)。由于具有強(qiáng)健的晶體結(jié)構(gòu)，R-NCM在長(zhǎng)周期循環(huán)、高倍率性能和電化學(xué)極化方面都大大超過了標(biāo)準(zhǔn)的C-NCM。

因此，該策略可以成功地應(yīng)用于不同容量損失的S-NCMs混合正極和其他廢NCM523正極的回收，為大量廢正極材料的普遍和直接回收奠定了基礎(chǔ)。

圖2. 半電池在3.0-4.3V電壓范圍內(nèi)的電化學(xué)性能

Self-Reconstruction of Highly Degraded LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 Towards Stable Single-Crystalline Cathode,?Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202307091