陈忠伟院士，重磅Nature Sustainability！

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陈忠伟院士，重磅Nature Sustainability！
近年来新能源汽车迅猛发展，但对环境的可持续性发展提出了更高的要求，特别是在报废电池的回收再利用方面面临着巨大的挑战。
成果简介
在此，中国科学院大连化学物理研究所陈忠伟院士和张永光研究员等人展现了一种能够使废旧锂离子电池（LIBs）中正极材料性能恢复的再生路线。具体来说，本文的再生过程从涉及醋酸的浸出过程开始，其中醋酸可以选择性地溶解正极中的高价值元素，包括锂、钴、镍和锰等。同时，根据添加的螯合剂，渗滤液中的进一步共沉淀反应形成不同正极材料的前驱体。
结果显示，再生的层状氧化物正极的可逆面积容量高达2.73 mAh cm-2，对锂具有良好的结构稳定性，而获得的普鲁士蓝类似物在钠离子电池（SIBs）经过2000次循环后实现了83.7%的容量保持率。进一步的生命周期和技术经济评估表明，目前的再生可以将LIBs和SIBs的制造成本每千瓦时降低21.65和41.67美元，从而降低对人类健康、环境和自然资源的影响，这项工作为向更可持续的存储技术的过渡铺平了道路。相关文章以“Sustainable regeneration of spent cathodes for lithium-ion and post-lithium-ion batteries”为题发表在Nature Sustainability上。
研究背景
可靠的能源对现代社会的安全和经济福祉至关重要，而电池是全球交通和能源部门脱碳的关键。可充电锂离子电池（LIBs）改变了人们的生活方式，尤其是在便携式电子产品和电动汽车中。由于锂离子电池产量每年都打破记录，大量废锂离子电池将被抛在后面，造成严重的安全隐患和环境问题。然而，废锂离子电池也是一种高价值金属含量高的资产，包括镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）和锂（Li），这些金属含量高于天然矿石中的金属。因此，为废锂离子电池设计可持续的回收工艺对于创造更可持续的未来非常重要。虽然锂离子电池变得越来越耐用、更环保、更易于制造，并且对稀土元素的依赖程度降低，但现有的废旧锂离子电池回收技术仍然面临着巨大困难！
图文导读
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图1. 对高价值的元素进行提取。
与在渗滤液中分离有价值的金属元素相比，本文正极再生方法，利用浸出液中的高价值金属制备新的正极材料，最大限度地保持了正极颗粒的高附加值。同时，受商业化正极制备方法的启发，利用氨和氢氧化钠的混合溶液在连续搅拌的罐式反应器中制备球形前驱体，进行了共沉淀合成。
氨作为螯合剂，氨的加入在浸出液中与过渡金属形成金属-氨配合物，防止了共沉淀过程中单个相的沉淀。在共沉淀过程中，除锂离子外，超过99.8%的高值金属通过Ni、Co和Mn比例的球形前驱体回收。最终，在渗滤液中回收了73%的Li元素。经过高温锂化后，再生的Li1.04(Ni0.34Co0.32Mn0.34)0.96O2（R-NCM）或Li1.04(Ni0.80Co0.10Mn0.10)0.96O2（R-NCM811）粉末继承了前驱体的球形结构。
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图2：废旧LIBs正极材料的再生。
除了LIBs之外，普鲁士蓝类似物（PBAs）具有金属有机开放框架和面中心立方结构，能够允许碱性阳离子通过其宽通道有效地插入和提取。因此，作者在过渡金属离子的基础上，构建不同配置的直接共沉淀法回收金属阳离子。其中，以醋酸为浸出剂，通过醋酸螯合的方法控制结晶过程，得到了一个明确的晶格。同时，通过控制Ni、Co和Mn的摩尔比，制备的PBAs正极材料可用于钠离子电池和锌离子电池等。
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图3：废旧电池的正极材料再生。
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图4：正极再生技术的评价
综上所述，本文设计了两种不同的正极再生方法，从黑色质量中回收所有高值元素，并将其重新利用为新的锂正极材料和其他电池正极材料，使其能够向下一代可持续电池系统过渡。同时，本文选择了一种较温和的浸出剂来提取不含任何杂质的高值元素，并控制结晶过程。所获得的具有优化的微结构和匹配容量的正极材料与商业材料相当或更好。
随着电池的不断发展和多样化，本文的方法可以实现全面的可持续性，同时降低成本和环境影响。特别是，本文的回收技术大大减少了对人类健康、环境和自然资源的影响，同时以相当低的成本生产。这些通过回收过程向锂离子替代品过渡的尝试，将为解决电池的可持续性和可负担能力问题提供一种很有前途的方法，进一步加速的可持续发展。
文献信息
Tingzhou Yang, Dan Luo, Xinyu Zhang, Shihui Gao, Rui Gao, Qianyi Ma, Hey Woong Park, Tyler Or, Yongguang Zhang, Zhongwei Chen, Sustainable regeneration of spent cathodes for lithium-ion and post-lithium-ion batteries, Nature Sustainability, https://doi.org/10.1038/s41893-024-01351-5

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