在过去三十年中，锂离子电池技术迅猛发展，广泛渗透到社会生活的各个层面，从根本上改变了我们的生活方式。然而，随之而来的大规模废旧电池的退役和处理问题引发了新的资源与环境挑战。绿色高效锂电池回收技术的开发迫在眉睫，这不仅是减少碳排放、实现碳中和目标的重要途径，也是保障国家战略资源安全、推动循环经济发展的关键举措。

在科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和北京市自然科学基金委的支持下，化学研究所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室郭玉国课题组长期致力于高值化的废旧锂离子电池回收技术研究，从电池关键材料化学/电化学失效机理分析入手，发展了活性材料的无损分离技术(Energy Environ. Sci.,2021,14,1461)、金属元素的高效分离提取技术（Angew. Chem. Int. Ed.,2022,61,e202202558；Angew. Chem. Int. Ed.,2023,62,e202310435）和正极材料化学补锂直接再生技术(Adv. Energy Mater.2022,12,2103630；CCS Chem.,2022,5,1189)。

近期，该课题组结合磷酸铁锂的失效机制，设计了电压响应的智能补锂隔膜用于废旧正极的电化学再生策略，显著延长了电池的循环寿命。利用表面修饰的富锂材料本征的脱锂电位与磷酸铁锂之间的电压差，实现电压响应的按需补锂再生，磷酸铁锂电池的容量和循环寿命得到了显著的提升。另外，补锂隔膜可有效避免过放电造成的正极电化学失效，显著提高电池的安全性和可持续性。本工作为废旧磷酸铁锂正极的高值化利用提供了一种新的方法，拓宽了电池回收的思路。相关研究成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.,2024,e202406557，论文第一作者为博士生常昕和博士后范敏，通讯作者为孟庆海副研究员和郭玉国研究员。

针对高度失效的多晶三元正极材料，该课题组提出固相单晶化再生的升级回收策略，阐明了废旧正极表面的岩盐相层是阻碍固相烧结中晶粒生长的关键因素，并通过调节烧结工艺，构筑了一致的层状相晶界以促进了高温下的离子扩散和晶界融合，最终得到了微米级的单晶正极颗粒。得益于更加完整的形貌和稳定的结构优势，再生后的单晶正极展现了优异的电化学性能，相较于传统直接再生正极，1C150圈的容量保持率从61.7%显著提升至93.5%，且在更为苛刻的高温和高截止电压条件下，再生单晶正极的电化学性能甚至超过了原始多晶正极。该工作为高度失效的三元正极回收提供了一条实用化的思路，同时也有望为单晶三元正极的合成提供科学的指导。相关研究成果发表在Adv. Mater.,2024,2405238,DOI: 10.1002/adma. 202405238。论文第一作者为博士后范敏和博士生孟鑫海，通讯作者为孟庆海副研究员和郭玉国研究员。

图1 a) 智能补锂隔膜抑制正极过锂化和锂枝晶刺穿隔膜示意图； b) 严重失效的多晶镍钴锰三元正极的固相单晶化再生

分子纳米结构与纳米技术院重点实验室

2024年7月8日