废旧锂电氧化物电极材料的回收和再利用研究

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锂离子电池因为具备高能量密度、高功率密度、体积小、循环寿命长等优势融入了人类社会的众多领域,在现代社会发展中发挥着至关重要的作用。随着锂离子动力电池的广泛制造和应用,未来会有大批锂离子电池报废。若这些废旧电池没有进行相应处置,会对环境以及人类健康带来极大威胁。更重要的是,废旧锂离子电池中含有很多高价值的金属,特别是锂和钴等,这些金属在废旧电池中含量高于天然矿物。另外,电池中的负极材料未经合理利用也会导致温室气体污染等问题。因此,从环境、安全、经济、资源等多角度来看,对废旧锂离子电池采取高效、安全、绿色的方法进行回收和再利用具有重大意义。同时,金属钠的化学性质与锂相近,并且钠资源丰富较高,价格低廉,未来钠离子电池可以充分发挥成本和规模优势,与锂离子电池共存互补、协同发展,成为新型储能技术的主导者之一。综上,本文提出了两种回收策略对废旧LiCoO2和LiMn2O4电池实现再利用,具体内容如下:(1)回收废旧LiCoO2电池的正极材料制备出具有高电压特性和高结构稳定性的LiCoPO4,与高导电性的负极石墨Graphite复合为新型复合材料(以下简称RLCPG),探究不同比例复合材料RLCPG的结构形貌以及电化学性能。结果显示,LiCoPO4在25mA g-1时可提供90.2 mAh g-1的放电比容量,石墨和磷酸钴锂比例为1:1时,复合材料LCP/G=1:1在500 mA g-1时的放电比容量接近40 mAh g-1,相比LiCoPO4材料提升了近八倍。利用交流阻抗测试显示复合材料的锂离子扩散系数从2.74×10-14cm~2s-1提升至7.91×10-14cm~2s-1。这种回收策略不仅实现了LiCoO2电池正、负极材料的双回收,还实现了高电压新型橄榄石型磷酸盐复合正极材料RLCPG的合成。(2)直接回收法得到LiMn2O4和LiCoO2的混合氧化物LCMO用作钠离子电池的正极材料,通过表征确认回收后材料的组成和结构,探究电化学性能和动力学性能。测试结果显示,混合氧化物LCMO在25 mA g-1时放电比容量约为120.3 mAh g-1,在钠离子电池中表观离子扩散系数为5.07×10-16cm~2s-1。由此可见,这种回收方式是可行的,为锂离子电池的可持续发展提供了新思路。
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