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科學(xué)島團隊在廢舊鈷酸鋰正極材料直接再生研究方面取得新進(jìn)展

作者:劉真真發(fā)布時(shí)間:2024-06-04【打印】【關(guān)閉】

近期,中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所環(huán)境與能源納米材料中心在廢舊鈷酸鋰升級為高壓鈷酸鋰正極材料的研究中取得了新進(jìn)展,成功地將廢舊鈷酸鋰升級為4.6 V高壓鈷酸鋰,相關(guān)研究成果發(fā)表在國際期刊?Advanced Materials?上。

鈷酸鋰憑借其出色的體積能量密度、良好的倍率性能和穩定的循環(huán)性能,在3C(計算機、通信和消費電子)市場(chǎng)中始終占據著(zhù)不可替代的地位。然而,由于市場(chǎng)份額的不斷攀升、產(chǎn)品迭代速度的空前加快以及鋰離子電池壽命的有限性,導致廢舊鈷酸鋰電池數量逐年攀升。在金屬資源逐漸枯竭、環(huán)境保護日益嚴苛的形式下,廢舊鈷酸鋰電池的有效再生利用對實(shí)現鋰離子電池行業(yè)的綠色、環(huán)保、可持續發(fā)展具有重大的經(jīng)濟價(jià)值和生態(tài)意義。

基于此,研究人員提出了一種濕化學(xué)浸漬/固相燒結以及磷化策略,成功修復了廢舊鈷酸鋰中受損的層狀結構,實(shí)現了鈷酸鋰材料體相Mn摻雜、近表面P梯度摻雜以及Li3PO4/CoP復合表面改性。具有離子電導性的Li3PO4和電子導電性的CoP的復合表面涂層不僅有利于抑制電極/電解質(zhì)界面副反應,而且有利于Li+擴散和電子傳輸。同時(shí),多種表征技術(shù)證實(shí)了形成的強P-O鍵和Mn-O鍵可以穩定鈷酸鋰的晶體結構,有利于抑制晶格氧的逸出。上述協(xié)同效應使得升級后的鈷酸鋰在4.6 V電壓下具有優(yōu)異的電化學(xué)性能,包括高比容量、良好的循環(huán)穩定性(初始放電容量為218.8 mAh g?1,在0.5 C下循環(huán)200圈后的容量保持率為80.9%)等,性能優(yōu)于商業(yè)鈷酸鋰正極材料。

此外,研究人員結合原位X射線(xiàn)衍射技術(shù)、GITT測試以及DFT密度泛函理論計算結果,詳細分析了高壓鈷酸鋰充放電過(guò)程中的反應機制。該研究中設計的多重表面改性與體相摻雜策略,為退役鈷酸鋰直接升級再造為下一代高性能正極材料提供了重要指導。

上述研究得到了國家自然科學(xué)基金、合肥物質(zhì)院院長(cháng)基金等項目的資助。

論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202404188

1. 廢舊鈷酸鋰升級再造過(guò)程示意圖。

2. 不同材料在(a3.0~4.5 V和(b3.0~4.6 V電壓下的初始充放電曲線(xiàn);(c0.5 C時(shí)3.0~4.6 V的循環(huán)性能。

3.a0.1 C時(shí)的GITT曲線(xiàn);(b)根據GITT曲線(xiàn)計算的鋰離子擴散系數;(cR-LCO和(dMP-LCO@LPO/CP0.2 C電壓范圍為OCV~4.6 V~3.0 V首次充放電的原位XRD圖譜以及相應的充放電曲線(xiàn)。

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