導(dǎo)讀

近日，東北大學(xué)李犁教授團隊在材料冶金學(xué)頂級期刊《Acta Materialia》上報道了一種創(chuàng)新的氧自由基（O?）輔助的結(jié)構(gòu)修復(fù)策略，成功實現(xiàn)了失效鈷酸鋰（LiCoO2）正極材料的高效直接再生。該研究通過升級傳統(tǒng)水熱-退火再生工藝，創(chuàng)新性地引入H2O2并耦合Ti4+摻雜，精準(zhǔn)修復(fù)了失效LiCoO2正極材料中雜質(zhì)相、補充了損失的鋰離子以及提高了再生正極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。得益于O?的強氧化作用對表面雜質(zhì)和不良相的有效清除，以及由此誘導(dǎo)產(chǎn)生的大量表面氧空位促進了Ti4+的均勻摻雜與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，再生后的LiCoO2材料展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，在1.0 C倍率下容量達到141.1 mAh g?1，并在300次循環(huán)后容量保持率仍達92.9%。該性能顯著優(yōu)于商業(yè)材料及其他傳統(tǒng)方法再生的材料。本研究為解決失效鋰離子電池正極材料的結(jié)構(gòu)修復(fù)與性能再生提供了全新的思路和可行的方案。

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，鋰離子電池（Lithium-ion battery）已成為至關(guān)重要的能源存儲載體，隨之而來的則是大量退役電池的回收壓力。其中，鈷酸鋰（LiCoO2）正極材料的生產(chǎn)消耗了全球約70%的鈷資源，其高效回收對于降低成本與減少環(huán)境足跡意義重大。直接再生技術(shù)因可直接修復(fù)失效正極材料的受損結(jié)構(gòu)、補充損失的鋰元素，從而實現(xiàn)高效再生利用而備受關(guān)注。其中，水熱-退火法因其能耗低、補鋰精準(zhǔn)而被視為一條實用路徑。然而，傳統(tǒng)方法中水的化學(xué)惰性導(dǎo)致其對電極表面的雜質(zhì)、裂紋以及電化學(xué)惰性的Co3O4尖晶石相去除效果有限，嚴(yán)重制約了再生材料的容量與循環(huán)壽命。因此，開發(fā)能夠同時實現(xiàn)深度結(jié)構(gòu)修復(fù)與高性能恢復(fù)的直接再生策略，仍是該領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。

圖1 本策略與傳統(tǒng)直接再生方法本工作的比較

本研究團隊開發(fā)的O?輔助結(jié)構(gòu)修復(fù)策略，通過在傳統(tǒng)水熱環(huán)節(jié)引入H2O2，并在后續(xù)退火中摻入微量Ti4+，巧妙地解決了上述瓶頸。O?不僅能有效氧化去除Co3O4尖晶石相和表面殘余物，其誘導(dǎo)產(chǎn)生的豐富表面氧空位更作為高效離子傳輸通道，顯著降低了后續(xù)Ti4+摻雜的能壘，形成了再生正極體相的均勻摻雜。Ti4+的摻雜穩(wěn)固了層狀結(jié)構(gòu)，有效抑制了充放電過程中的有害相變。中子粉末衍射技術(shù)證實，該策略優(yōu)化了Li+的擴散路徑，形成了連續(xù)無阻的遷移通道。

圖2 再生LiCoO2正極材料的電化學(xué)性能

技術(shù)經(jīng)濟評估表明，該策略相較于傳統(tǒng)方法，可顯著降低能耗、水耗及溫室氣體排放，并提升經(jīng)濟收益。這項工作展示了一種高性能、低成本、低污染的直接再生范例，為構(gòu)建可持續(xù)的鋰離子電池循環(huán)利用系統(tǒng)提供了合理的設(shè)計方案與堅實的技術(shù)支撐。

通訊作者簡介：

李犁，東北大學(xué)冶金學(xué)院教授、博導(dǎo)、所長，可再生能源轉(zhuǎn)換與儲能團隊負責(zé)人，英國皇家化學(xué)會會士，入選國家萬人計劃-科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，國家高層次人才計劃-青年項目（四青），遼寧省興遼英才計劃，沈陽市杰出人才等，H index>50，擔(dān)任中國有色金屬學(xué)會熔鹽化學(xué)與技術(shù)委員會委員等多個國內(nèi)及國際專業(yè)委員會副主任及委員等；以通訊作者在

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