3月6日，北京理工大学材料学院李丽教授、吴锋院士课题组在退役锂离子电池正极材料修复再生研究中取得重要进展，基于酸刻蚀表面预处理和固相烧结补锂技术成功实现高度失效LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2（NCM523）升级修复。酸刻蚀可选择性去除表面惰性类岩盐结构并将多晶二次颗粒解离为单晶，同时降低补锂过程中的热力学和动力学势垒，显著提升了固相烧结过程中的修复效果。此外，得益于单晶形貌更优异的机械稳定性，修复后ER-NCM523的循环稳定性显著提高。全生命周期经济环境分析表明，该回收技术兼具绿色、短程和经济优势。相关研究成果以“Surface engineering enabling efficient upcycling of highly degraded layered cathode”为题发表在国际顶级期刊Advanced Materials上，北京理工大学博士研究生黄清荣为本文第一作者。
作为推动能源领域绿色发展的关键一环，退役锂离子电池的回收处理在新能源汽车及储能产业可持续发展中发挥着至关重要的作用。退役层状正极材料的性能衰减主要归因于电极材料的结构退化和活性锂损失。特别是在长期循环过程中，层状材料在应力和副反应的协同作用下，表面层状结构缓慢转变为致密的类岩盐结构。电化学惰性的类岩盐相不仅阻断了修复过程中的补锂通道，还需要克服较大的热力学势垒才能转化为层状结构。而高度退化层状正极废料表面的类岩盐相较厚，传统的固相烧结、水热、低温共晶盐等修复技术难以实现高效的补锂，对高度退化的三元层状材料的适用性较弱。
鉴于此，课题组提出了一种针对层状正极材料的表面预处理辅助升级修复技术（surface engineering assisted direct upcycling, SADU）。该技术基于不同化合价过渡金属元素与酸的反应活性差异，能够选择性地去除层状废料表面类岩盐结构，同时将多晶废料解离为单晶颗粒。刻蚀后的废料只需经过简单固相烧结并补充锂元素，即可实现结构与功能的修复。修复后的NCM523材料放电容量与商业化产品相当，且循环稳定性更为优异，在3.0-4.2 V（相对于石墨负极）下循环500周后，容量保持率为80.1%，远高于商业NCM523材料（57.1%）。经济与环境评估显示，该回收技术的利润分别是火法回收和湿法回收的14.2倍和3.4倍，而其温室气体排放量仅为火法回收的51.7%和湿法回收的57.6%。此外，该直接修复技术不仅适用于中低镍层状材料，还可拓展至其它层状材料，如钴酸锂或高镍层状氧化物，展现出巨大的产业化应用潜力。
图1 （a）SADU技术流程示意图；（b）修复后NCM523和商业正极材料在全电池中的容量衰减曲线；（c）SADU技术的经济分析；（d）基于传统技术和SADU技术再生LIBs的试剂消耗与温室气体排放量对比
综上所述，研究团队成功开发了一种表面预处理辅助升级修复技术，有效攻克了高度退化层状材料难以直接修复的技术难题，并充分验证了该技术的可行性、可靠性和普适性。通过选择性去除材料表面的惰性类岩盐相，并优化其微观形貌，该技术显著提升了修复过程中的补锂效率以及材料的循环稳定性。此外，该技术所涉及的酸蚀刻和固态烧结工艺，已在当前电池材料生产中广泛应用，无需额外开发新设备即可实现快速工业化应用，产业化应用潜力巨大。
