近日,東北師范大學化學學院吳興隆教授課題組在《Energy & Environmental Science》和《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》等化學化工類國際著名學術期刊發表系列研究論文,報道了他們在廢舊鋰離子電池回收與再利用領域取得的系列重要研究成果。
隨著社會的發展和清潔能源的開發,作為高效儲能裝置的鋰離子電池正廣泛應用于各個領域。然而,鋰離子電池的可工作壽命并非無限。隨著其性能的失效,定會產生大量的廢棄鋰電池,如處理不當,將會造成嚴重的環境污染。因此,針對廢舊鋰離子電池的回收和再利用這一問題,在國家自然科學基金、學校雙一流學科建設經費和科技處中央高校基本科研業務費的資助下,吳興隆教授小組突破傳統廢舊鋰電池 經濟化回收概念的限制,提出將廢舊鋰電池材料直接再利用于下一代二次電池的新概念,有望變廢為寶,使相關廢舊材料繼續在新型電池體系中發光發熱。該類方法,不拘泥于有價金屬回收的傳統思想,而是更強調將原有廢舊電池材料改性再利用,可同時解決新型電池體系的原料來源和廢舊鋰電池的廢料回收問題,是一箭雙雕的全新策略。
在該策略的指導下,對于廢舊鋰離子電池的石墨負極材料,對其進行回收與簡單熱處理,成功應用于新型的鈉/鉀離子電池中,表現出了良好的電化學性能。并對儲鈉/鉀過程進行了深入的脫嵌機理分析,首次揭示了其表現出的非整數階脫嵌鈉/鉀特性,為類似插層類負極材料的研究和石墨負極在鈉/鉀離子電池中的應用奠定了基礎。相應研究成果以“Staging Na/K-ion de-/intercalation of graphite retrieved from spent Li-ion batteries: in operando X-ray diffraction studies and advanced anode material for Na/K-ion batteries”為題發表于國際頂級學術期刊《Energy & Environmental Science》(2019, 12, 3575-3584)后,也受到了Chemistry World的跟蹤采訪和報道。論文第一作者為吳興隆教授指導的碩士研究生梁皓杰。
對于鋰離子電池廢舊正極材料,通過簡單的化學方法,由廢舊的錳酸鋰氧化物正極出發,設計合成了穩定的磷酸錳鐵鋰等磷酸鹽正極材料,并重新應用于高比能鋰離子電池中,表現出了良好的電化學性能。在該工藝過程中,不但有效地再利用了正極上的鋰、錳等全部金屬元素,還將原本通常以二氧化碳等形式排放而容易引起環境污染的粘結劑和炭黑等廢料,轉化成了磷酸正極中的碳導電網絡,實現了無污染化再利用。相關研究成果以“Effective Recycling of the Whole Cathode in Spent Lithium Ion Batteries: From the Widely Used Oxides to High-Energy/Stable Phosphates”為題發表于《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》(2019, 7,12014)上。論文第一作者為吳興隆教授指導的碩士研究生楊洋。此外,針對鋰離子電池氧化物廢舊正極材料,還設計了相應的再利用路線,將其成功應用到了鈉離子電池正極和聚合物全固態電池等新型電池體系中(Electrochimica Acta, 2019, 320, 134626和Chemistry-A European Journal, 2019, 25, 8975)。
由于廢舊鋰電池回收和再利用表現出來的巨大資源、環境和經濟效益,在發表論文之前,相應研究成果也申請了一系列發明專利,為將來促進東北師范大學成果應用和轉化奠定了基礎。