一、引言

近年來，由于潛在的經濟和環境效益，通過直接回收方法對廢舊電池進行可持續回收受到了廣泛關注。直接回收可以在回收過程中保持材料的化學結構，然后再生這些材料以恢復其電化學性能，以便在電池中重復使用。另外，電池生產過程中由于電極切割和故障會產生大量電極廢料（~5-15%，稱為電池廢料）。

由于這些廢料沒有經歷過充放電的電化學循環，所以質量上乘缺陷極少，成分已知，是一種現成且高價值的資源。 盡管具有上述優點，但電池廢料中的正極通常會因暴露在空氣中而發生淺層降解，尤其是高鎳正極。Ni3+很容易與空氣中的CO2和H2O發生反應，在表面產生貧鋰相，從而大大降低鋰離子傳輸和電化學性能。

此外，在廢電極中，正極材料在制造后與粘合劑和炭黑混合，需要進行有效分離。事實上，目前常用的直接高溫再生方法實際上不適用于空氣降解的電極廢料，需要進行預處理以盡量減少粘合劑和導電炭黑的不利影響并實現有效再生。

二、正文部分

成果簡介

近日，華中科技大學曹元成教授，姚永剛教授和黃云輝教授等人對電池制造過程中產生的電池廢料中直接回收和有效再生空氣降解的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523) 正極進行研究，實現NCM523在不添加 Li 的情況下再生，恢復特性（170 mAh g–1在 0.1 C，1000 次循環后保留 92.7%）與新鮮商業材料相似。廢料回收的利潤為 1.984 美元 kg –1，比傳統回收高出約10 倍，這使得為可持續電池制造恢復輕微退化的電極材料變得實用且經濟。

圖文導讀

【圖 1】電池廢料再生。(a) 電動汽車電池拆解過程獲得廢電池材料。(b) 電極切割過程和 (c) 在線生產導致大量電池報廢。(d) 實際電池廢料和 (e) 再生后從廢料中回收的正極材料。(f) 不同鋰離子電池回收方法的比較。

【圖 2】NCM523在空氣中的降解機理。(a) 商用 NCM523 和 (b) 在空氣中淺層降解的 NCM523 的 SEM 圖像。(c) 商用和降解的 NCM523 顆粒的 XRD 圖。(d) BF STEM 圖像和 (e) 高分辨率 HAADF STEM 圖像，聚焦于淺退化的 NCM523 表面。(f) 淺層降解的 NCM523 的相應 EDS 元素映射。(g) 淺退化的 NCM523 的 Ni 2p、C 1s 和 O 1s 高分辨率 XPS 光譜。(h) 表面降解機制的示意圖，顯示 NCM523 與 H2O 和 CO2反應。

【圖 3】降解的NCM523粉末的直接再生。(a) XRD 和 (b) Li/Me（Me = Ni、Co 和 Mn）在空氣中退火的降解 NCM523 和再生 NCM523 的比率。(c) 在不同溫度下退火的降解和再生 NCM523 的示意圖。(d, e) 聚焦于 regenerated-850 NCM523 表面和中心的高分辨率 HAADF STEM 圖像。(f) 再生 850 NCM523 的相應 EDS 元素映射。(g) Regenerated-850 NCM523 表面和內部之間的 HAADF STEM 圖像和相應的 EELS 低損耗光譜。(h) 降解的 NCM523 和再生的 NCM523 的倍率性能。

【圖 4】從電極廢料中回收 NCM523。(a) 預處理過程示意圖。(b) 預處理（NMP，400 °C）NCM523 和（c）再生 NCM523 的 SEM 圖像。(d) 預處理的 NCM523 和再生的 NCM523 的 C 含量。(e) C 1s、(f) F 1s 和 (g) O 1s 降解的 NCM523 電極和再生的 NCM523 的高分辨率 XPS 光譜。

【圖 5】再生NCM523的電化學性能。(a) 再生 NCM523 的 CV 曲線。(b) 再生 NCM523 的原位 EIS 和擬合數據。(c) 倍率表現。(d) 預處理后退化的 NCM523 電極和商用 NCM523 的循環性能。(e) 再生 NCM523（軟包電池 1.2 Ah）的循環性能。(f) 為 LED 供電并進行柔韌性測試的軟包電池。(g) 三個串聯的軟包電池為手機無線充電。

【圖 6】降解 NCM523 再生的經濟分析。(a) 不同回收過程的簡要比較。(b) 溫室氣體排放量，(c) 能源消耗總量，以及 (d) 不同回收過程的潛在好處。

總結和展望

作者專注于電池制造過程中產生的電池廢料的回收和再生，由于廢料是現成的，不需要拆解電池，且已知成分和化學性質，使回收價值更高。以NCM523為例，探索了NCM523在空氣中緩慢降解生成Li2CO3、LiHCO3和表面上的 LiOH 雜質相（5 nm），以及貧鋰巖鹽相，導致性能較差。根據降解機理，通過在空氣中 850 °C 下煅燒，無需添加額外的 Li，輕度降解的 NCM523 可有效再生為完整的層狀結構。

作者發現，要在實際電池廢料中提取 NCM523，組合和優化預處理對于有效去除粘結劑 PVDF 和導電碳至關重要，從而提高正極產量，并顯著減少潛在雜質和結構劣化。經過預處理和再生后，回收正極 NCM523 在兩種紐扣電池中均表現出優異的電化學性能（170 mAh g–1在 0.1 C）和軟包電池（1000 次循環后保持 92.7%）。

EverBatt 分析表明，與火法冶金、濕法冶金和直接回收方法相比，此工藝具有更高的能效、更少的排放和更高的利潤率。這項工作加深了研究人員對淺層降解正極材料的降解和恢復機制的理解，并促進了廢料的實際回收，以實現更可持續的電池制造。

審核編輯：劉清