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近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員張?jiān)葡?、湖州師范學(xué)院副教授韓苗苗等通過一種簡單的“一石三鳥”固相燒結(jié)策略，可以有效地將廢舊鈷酸鋰電池正極材料回收升級為高性能的高壓鈷酸鋰正極材料。8月17日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《先進(jìn)能源材料》。

廢舊鈷酸鋰電池正極材料回收再生過程示意圖。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所供圖

鋰離子電池具有高能量密度、長壽命、低成本、低自放電等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車、電網(wǎng)級儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域。其中，作為一種典型的鋰離子電池正極材料，鈷酸鋰由于其固有的高能量密度以及方便大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式電子器件中占據(jù)主導(dǎo)地位。而全世界每年廢棄的便攜式電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的廢舊鋰離子電池超過10萬噸，如果處理不當(dāng)，將造成嚴(yán)重的環(huán)境危害和寶貴金屬資源的巨大浪費(fèi)。同時(shí)，隨著人們對電池能量密度需求不斷增加，提升截止電壓成為提高能量密度最有效的策略之一。因此，如果將廢舊鈷酸鋰回收再生為高壓鈷酸鋰，不僅實(shí)現(xiàn)了金屬資源的可持續(xù)利用，還可以滿足高壓鈷酸鋰正極材料的發(fā)展趨勢。

傳統(tǒng)的回收技術(shù)主要以火法冶金和濕法冶金為基礎(chǔ)，提取有價(jià)金屬成分制備相應(yīng)的前驅(qū)體。然而，這兩種工藝缺乏經(jīng)濟(jì)可行性和環(huán)境友好性。因此，亟需探索一種綠色、節(jié)能、無損的鋰離子電池直接再生策略。

在此次研究中，研究人員采用一鍋固相燒結(jié)法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)成分/結(jié)構(gòu)缺陷修復(fù)、外表面重建以及元素?fù)诫s三重效應(yīng)耦合，達(dá)到“一石三鳥”的功效，將廢舊鈷酸鋰升級為高壓鈷酸鋰正極材料。所得到的高壓鈷酸鋰正極材料在截止電壓4.5 伏特時(shí)，其容量為188.2 毫安時(shí)每克；且該材料具有優(yōu)異的循環(huán)性能，100圈循環(huán)后的容量保持率為92.5%，300圈后容量保持率為86.4%。

同時(shí)，來自不同廠家或不同失效程度的廢舊鈷酸鋰正極材料均可有效地升級為高性能的高壓鈷酸鋰正極材料，證實(shí)了這種“一石三鳥”的固相燒結(jié)策略具有通用性。此外，研究人員采用原位X射線衍射和密度泛函理論理論計(jì)算等方法探討了充放電過程中材料內(nèi)在的結(jié)構(gòu)演變和潛在的再生機(jī)理。

研究人員介紹，該工作有望為廢舊鋰離子電池回收再生和升級再造成具有長期循環(huán)穩(wěn)定性的高能量密度電池提供新的思路。

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