近年来，锂离子电池(LIBs)的可持续回收逐渐成为关注焦点。在电池涉及的所有组件中，正极材料占据最大的质量，主导着电池的成本。在这种情况下，由于环境和经济效益，正极材料的回收变得非常重要。商用正极材料包括橄榄石LiFePO₄(LFP)、层状LiCoO₂(LCO)或LiNi_xMn_yCo_1-x-yO₂(NMC)，以及尖晶石LiMn₂O₄(LMO)。目前的回收方法主要针对一种特定的正极材料，由于它们具有不同的晶体结构，同时处理多种成分是具有挑战性的。传统的热冶和湿冶回收方法通过高温熔化或化学过程破坏电池单元或材料，并需要复杂的步骤来分离不同的元素，这会导致二次污染。更重要的是，废旧的LFP(S-LFP)或LMO(S-LMO)中有价值元素的数量很少，而这些方法产生的Fe/Mn产品的经济价值相对较低，表明当前的回收方法并不合适。因此，需要更好的回收技术来实现混合正极材料的可持续利用最大化。

鉴于此，中国科学院深圳先进技术研究院碳中和技术研究所成会明院士团队在Nature Communications上发表了题为 “Sustainable upcycling of mixed spent cathodes to a high-voltage polyanionic cathode material” 的最新研究成果。

本文要点：

1.在该文章中，作者提出了一种通过结构设计和过渡金属替代的方法，使用绿色深共熔溶剂来回收高压聚阴离子正极材料的方案。这个过程确保了混合正极中所有元素的完全回收，并且深共熔溶剂可以被重复利用。

2.再生的LiFe_0.5Mn_0.5PO₄相比商用LiFePO4具有更高的平均电压（3.68V对Li/Li⁺）和能量密度（559Wh kg^-1，而商业LiFePO₄为3.38V和524Wh kg^-1）。

3.该策略可以扩展到克级规模，并且也适用于LiFe_0.5Mn_0.5PO₄的回收，从而实现混合废旧正极材料与下一代正极材料之间的闭环回收。

4.技术经济分析显示，这种策略具有潜在的高环境和经济效益，同时为废旧电池材料的增值利用提供了可持续的途径。

原文详情

Guanjun Ji et al., Sustainable upcycling of mixed spent cathodes to a high-voltage polyanionic cathode material. Nature Communications, 2024. 

https://doi.org/10.1038/s41467-024-48181-9

Advanced Energy Materials：用于实现优越体积锂存储的高压致密稳定Ge结构

如今，消费电子和电动汽车领域需要在设备有限的空间内尽可能多地存储能量，这对锂离子电池（LIBs）的微型化提出了要求。不幸的是，商用LIBs中占据主导的石墨阳极理论体积容量相对较低（理论值为818 mAh cm⁻³；实际值约为550 mAh cm⁻³），这使得进一步提高LIBs的体积能量密度变得困难。在保证LIBs微型化的同时，优异的快速充电和循环性能也同样重要。因此，开发具有高体积容量的阳极材料，同时保持高倍率性能和长循环寿命，是特别重要且富有挑战性的。

鉴于此，南方科技大学赵天寿院士团队在Advanced Energy Materials上发表了题为 “Pressure-Induced Dense and Robust Ge Architecture for Superior Volumetric Lithium Storage” 的最新研究成果。

本文要点：

1.在这项工作中，作者提出了一种压力诱导的方法来制造一种Ge结构，其中纳米级Ge（≈15 nm）被坚固的TiO₂和高导电性的碳包裹，具备低应力-应变特性、厚度变化时体积膨胀低、高电导率（463.2 S m⁻¹）、高锂离子扩散系数（9.55 × 10⁻⁹–8.51 × 10⁻¹² cm² s⁻¹）和高堆积密度（1.79 g cm⁻³）的特征。

2.因此，这种致密结构在0.1 A g⁻¹时具有3559.8 mAh cm⁻³的优异体积容量，在20 A g⁻¹时具有2628.2 mAh cm⁻³的体积容量，并在10 A g⁻¹下表现出超过5000次的出色循环寿命。

3.值得注意的是，全电池实现了1760.1 Wh L⁻¹的高体积能量密度，同时展现了优秀的快速充电性能和长循环寿命。

4.这项工作提供了一种新的合成策略，并为高体积容量合金基锂离子电池阳极的设计提供了深刻的见解。

原文详情

Meisheng Han et al., Pressure-Induced Dense and Robust Ge Architecture for Superior Volumetric Lithium Storage. Advanced Energy Materials, 2024.

https://doi.org/10.1002/aenm.202401065

锂钴氧化物材料首次发现于1980年代，并在1990年代由SONY^®商业化，因其高致密度、出色的Li⁺导电性和高耐久性成为电子设备中锂离子电池(LIBs)的主导正极材料。然而，现有的商用锂钴氧化物仅在140 mA h g⁻¹左右的有限容量范围内运行(约为其理论容量的60%)，这是由于其4.2 V的充电限制低于不断增长的消费电子电池技术所需的水平。扩大锂钴氧化物的电压窗是获得更高电池容量的最直接和有效方法，通过将截止电压从4.2 V提高到4.6 V，可将比容量提高50%（从140到210 mA h g⁻¹），明确展现了以这种方式实现高能量密度锂钴氧化物正极的可行性。然而，提高锂钴氧化物的充电电压是一把双刃剑，高容量总是伴随着结构恶化和随之而来的快速容量衰减问题。

鉴于此，澳大利亚阿德莱德大学郭再萍院士在Energy & Environmental Science上发表了题为 “Enhancing the reaction kinetics and structural stability of high-voltage LiCoO₂via polyanionic species anchoring” 的最新研究成果。

本文要点：

1.在这项工作中，作者将聚阴离子PO₄³⁻基团成功锚定在LiCoO₂材料表面，实现了优越的电池性能。

2.聚阴离子基团作为微型漏斗存在于材料表面，能够将LiCoO₂表面晶格间距扩展10%，有助于提高Li扩散动力学，因而可在20C下实现164 mA h g⁻¹的优异倍率性能（1C = 274 mA g⁻¹）。

3.关键是，具有高电负性的聚阴离子基团可以通过减少O 2p和Co 3d轨道杂化来稳定高压下的表面氧，从而抑制表面Co迁移和有害H1–3相形成，在1C下300次循环后实现84%的容量保持，表现出超强循环稳定性。

4.此外，含有改性LiCoO₂和Li金属电极的袋式电池在32 mg cm⁻²的高负载下提供了513 Wh kg⁻¹的超高能量密度。

5.这项工作为改性材料表面结构以获得具有高倍率性能和长寿命的高能量密度正极提供了新的见解。

原文详情

Wei Zheng et al., Enhancing the reaction kinetics and structural stability of high-voltage LiCoO₂via polyanionic species anchoring. Energy & Environmental Science, 2024. 

https://doi.org/10.1039/D4EE00726C

可靠且负担得起的能源对于现代社会的安全和经济至关重要，而电池可能是实现全球交通和能源部门脱碳的关键。可充电锂离子电池（LIBs）已经彻底改变了人们的生活，尤其是其在便携式电子设备和电动汽车中有广泛应用。随着锂离子电池产量逐年创新高，大量废旧锂离子电池将被遗弃，这将带来严重的安全隐患和环境问题。然而，废旧锂离子电池也是一种宝贵的资源，其含有丰富的高价值金属，包括镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）和锂（Li），含量甚至高于天然矿石。为废旧锂离子电池设计一个可持续的回收工艺对于创造一个更加可持续的未来至关重要。尽管锂离子电池变得更加耐用、更环保、制造更简便且对稀土元素的依赖更少，但这些改进以及缺乏标准化对废旧锂离子电池的回收带来了严峻挑战。

鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士在Nature Sustainability上发表了题为 “Sustainable regeneration of spent cathodes for lithium-ion and post-lithium-ion batteries” 的最新研究成果。

本文要点：

1.在这项工作中，作者报告的再生方法始于浸出工艺，使用乙酸选择性溶解正极材料中的高价值元素，包括锂、钴、镍和锰。

2.根据添加的螯合剂，浸出液中的进一步共沉淀反应可以形成不同正极材料的前驱体。再生的锂层状氧化物正极材料在锂离子电池中表现出高达2.73 mAh cm⁻²的可逆面积容量，并具有出色的结构稳定性，而获得的普鲁士蓝类似物在钠离子电池（SIBs）中在经过2000次循环后显示出83.7%的容量保持率。

3.生命周期和技术经济评估表明，目前的再生方法可以分别减少锂离子电池和钠离子电池每千瓦时制造成本21.65美元和41.67美元，同时对人类健康、环境和自然资源的影响更小。

4.这项工作为向更可持续的储能技术过渡铺平了道路。

原文详情

Tingzhou Yang. et al., Sustainable regeneration of spent cathodes for lithium-ion and post-lithium-ion batteries. Nature Sustainability, 2024. 

https://doi.org/10.1038/s41893-024-01351-5 

Energy Materials and Devices是清华大学主办的全英文开放获取(Open Access)期刊，2023年9月创刊，清华大学康飞宇教授担任主编。作为一本瞄准能源材料前沿领域、国际化的多学科交叉期刊，聚焦能源材料与器件领域的基础研究、技术创新、成果转化和产业化全链条创新研究成果，面向全球发表原创性、引领性、前瞻性研究进展，推动能源科学和产业发展，助力“碳达峰、碳中和”。

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