2023年，南方科技大学万佳雨团队在《ACS Energy Letters》上发表了题为“Rapid, Direct Regeneration of Spent LiCoO₂ Cathodes for Li-Ion Batteries”的论文，提出了一种高效的一步无损再生技术-快速焦耳加热法，用于在数秒内再生废弃的LiCoO₂正极材料。

【总结】

（1）高效的一步再生技术：本文提出了一种高效的一步无损再生技术，用于在数秒内再生废弃的LiCoO₂正极材料。该方法通过快速的焦耳加热，同时实现正极材料的重新锂化和晶体结构的修复。

（2）低能耗和短操作时间：相比传统的再生方法，该过程具有低能耗和短操作时间的优点。仅需8秒钟的修复过程，即可使再生的LiCoO₂恢复到原有的电化学性能。

（3）完整的晶体结构恢复：再生后的LiCoO₂具有良好的层状结构，初始放电容量达到133.0 mAh/g，并表现出良好的循环性能，接近新材料的电化学性能。

（4）快速加热和冷却：本文的方法利用高加热速率、可调温度和高冷却速率的焦耳加热技术，显著减少了不可避免的热量损失。再生过程中的反应温度相对较高，但过程非常迅速，从而最大限度地减少了锂源的损失并避免了锂源与容器之间的熔化和腐蚀反应。

（5）电化学性能优越：再生后的LiCoO₂电化学性能优异，初始放电容量为133.0 mAh/g，在4 C下仍能维持99.7 mAh/g的高容量，循环300次后仍能保持100.0 mAh/g的放电容量。

（6）广泛适用性：该研究表明，该方法具有高效直接再生正极材料的潜力，并可能成为电池正极材料再生的通用方法。

（7）产业应用前景：本文设想了一种超快速、卷对卷的再生工艺，使正极材料通过加热区后迅速恢复其原有的晶体结构和电化学性能，具有与现有工业协议高度兼容的潜力。

图1. 制备方法示意图及材料表征

【研究背景】

（1）锂离子电池（LIBs）作为一种高效、可持续的能量储存装置，广泛应用于消费电子产品、电动汽车和电网储能等领域。以支持碳中和目标，全球对锂离子电池的需求预计在未来五年内将超过每年数百GW时，占据2025年可充电电池市场的70%。

（2）由于便携电子设备的充电电池平均寿命不超过三年，电动汽车的充电电池寿命在五到十年之间，未来将产生大量的废旧电池。这些废旧电池中含有有害物质，如重金属和有毒有机化合物，对环境和人类健康构成威胁。

（3）用于合成正极材料的金属资源日益稀缺，近年来价格不断攀升，表明未来需求接近已确定的储量。因此，开发有效的方法处理废旧电池，以防止对环境的负面影响并满足对宝贵资源的需求变得非常紧迫，尤其是在交通电气化和电网级储能日益增加的时代。

（4）当前，正极材料的回收方法主要分为冶金工艺（如火法冶金和湿法冶金）和直接修复工艺。尽管冶金工艺已经使用很长时间，但存在一些缺点，例如湿法冶金需要大量酸来溶解正极材料中的金属离子，导致大量废水的后续处理。火法冶金工艺需要高温和大量能源来熔炼正极材料。这些冶金回收工艺涉及多步、高能耗和耗时长。

（5）近年来，人们对开发直接再生正极材料的方法越来越感兴趣，而不破坏其晶体结构。尽管已有一些方法，例如固态烧结、熔盐法、化学锂化策略、水热法和原位电化学法，但这些方法通常需要较长的高温处理时间，导致能耗和时间消耗较高。

（6）因此，迫切需要一种快速、高效的正极材料再生方法，以实现更高的能效和时间效率。这种方法应能够在短时间内修复正极材料的晶体结构，同时实现重新锂化，从而达到与新材料相当的电化学性能。

【研究方法】

（1）超快速修复方法的提出：提出了一种无损、超快速的方法，用于在数秒内再生废弃的LiCoO₂正极材料。该方法利用高加热速率、可调温度和高冷却速率的焦耳加热技术，显著减少了热量损失。

（2）样品准备：将直径为1.0 cm的压片样品置于两片碳纸之间。通过焦耳加热快速加热碳纸和样品，避免了炉法的低温反应阶段。

（3）实验过程：在约1440 K的高温下，进行8秒的处理。反应温度通过输入的电流/电压进行调整，以确保快速且高效的反应。

（4）材料表征：使用多种表征技术对再生的LiCoO₂进行分析，包括X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）。XRD用于分析再生前后LiCoO₂的晶体结构变化。TEM和高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）用于观察微观结构和原子排列。XPS用于分析再生前后样品中钴元素的化学态。

（5）电化学性能测试：通过电化学阻抗谱（EIS）、电池循环和倍率性能测试评估再生正极的电化学性能。通过恒流间歇滴定技术（GITT）分析Li+扩散系数。

（6）对比实验：将再生的LiCoO₂样品与传统炉法再生样品进行对比，评估新方法的优越性。通过在不同温度（如1173 K）的炉法再生进行对比，以验证新方法在能效和时间效率上的优势。

（7）产业应用设想：设想一种超快速、卷对卷的再生工艺，使正极材料通过加热区后迅速恢复其原有的晶体结构和电化学性能，具有与现有工业协议高度兼容的潜力。

【研究结果】

（1）晶体结构的恢复：再生后的LiCoO₂显示出良好的层状结构。XRD分析表明，经过8秒的超快速修复处理后，样品中原有的尖晶石Co3O4完全消失，证明晶体结构得到了成功修复。

（2）电化学性能：再生的LiCoO₂表现出优异的电化学性能。初始放电容量达到133.0 mAh/g，在4 C的倍率下仍能保持99.7 mAh/g的高容量。在0.1 C下进行300次循环后，再生样品仍能保持100.0 mAh/g的放电容量，显示出良好的循环稳定性。

（3）能耗和时间效率：与传统的炉法再生相比，超快速修复方法在能耗和时间效率上具有显著优势。再生过程仅需8秒钟，而传统方法需要数小时的高温处理。计算表明，超快速修复方法的能耗显著低于传统方法，节约了大量能源。

（4）显微结构的修复：TEM和HAADF-STEM分析显示，再生后的LiCoO₂颗粒尺寸均匀，表面光滑，层状结构有序。高分辨率元素映射结果显示，再生样品中的钴和氧元素均匀分布，晶体结构中的钴层畸变得到了显著修正。

（5）化学态分析：XPS分析表明，再生后的LiCoO₂中主要存在Co3+，而再生前样品中同时存在Co2+和Co3+。这表明再生过程不仅修复了晶体结构，还恢复了材料的化学态。

（6）温度对再生效果的影响：研究发现，最佳的再生温度为1440 K。在此温度下，再生样品的电化学性能和晶体结构恢复效果最佳。在无锂源条件下进行再生时，较低温度（如1300 K和1390 K）下再生的样品中仍存在尖晶石Co3O4，但在较高温度下（如1560 K和1700 K），这一现象消失。

（7）产业应用前景：提出了超快速、卷对卷再生工艺的设想，通过连续的高温处理，使正极材料快速恢复其原有的晶体结构和电化学性能。这一工艺与现有工业协议高度兼容，具有广泛的应用潜力。

【展望】

根据研究内容和结果，可以推测一些可能的后续研究方向：

（1）扩大应用范围：将该超快速修复方法应用于其他类型的锂离子电池正极材料，如NMC（镍钴锰氧化物）和LFP（磷酸铁锂），评估其在不同材料中的适用性和有效性。

（2）工艺优化：进一步优化超快速修复方法的参数，包括加热速率、反应温度和时间，以提高再生效率和材料性能。探索其他可能的锂源和添加剂，以提高再生过程的效率和材料的电化学性能。

（3）大规模应用：开展中试规模的实验，验证该方法在工业规模上的可行性和经济性。设计和测试卷对卷再生工艺的实际设备，评估其在连续生产中的表现。

（4）环境影响评估：进行全面的生命周期评估，比较超快速修复方法与传统方法在能源消耗、碳排放和废物处理等方面的环境影响。研究再生过程中的副产品和废弃物处理，确保工艺的环保性。

（5）再生材料的长期性能测试：进行长期的电池循环和储存测试，评估再生材料在实际应用中的稳定性和耐久性。探索再生材料在不同应用场景（如电动汽车、电网储能等）中的性能表现。

（6）再生材料的结构与性能关系：深入研究再生过程中材料结构与电化学性能之间的关系，利用先进的表征技术（如原位TEM、XRD等）观察再生过程中晶体结构的变化。建立模型和模拟工具，预测不同再生条件下材料性能的变化，为工艺优化提供理论支持。

（7）多次再生循环研究：探讨再生材料的多次循环再生能力，评估其在多次使用后的性能退化和结构变化。研究再生材料在多次循环使用中的稳定性和再生工艺的可重复性。

（8）与其他回收技术结合：探索将该超快速修复方法与其他回收技术（如湿法冶金、火法冶金）结合使用，开发更高效、综合的废旧电池回收方案。研究复合工艺的协同效应，优化综合回收工艺的整体效率和经济性。

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https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c00635