Kinetics Dominated, Interface Targeted Rapid Heating for Battery Material Rejuvenation

动力学主导、界面靶向的快速加热用于电池材料再生

Hao Zhang, Yaduo Song, Jiale Zhao, Zhiheng Cheng, Jinming Guo, Minglei Cao, Haijun Yu, Hao Wang, Long Qie, Lixia Yuan, Yonggang Yao,* and Yunhui Huang*

张浩, 宋亚多, 赵佳乐, 程志恒, 郭金明, 曹明磊, 于海军, 王浩, 郦龙奇, 袁利霞, 姚永刚*, 黄云辉*

DOI: 10.xxxx/xxxxxx | 期刊名称: Advanced Materials | 发表年份: 2024

PDF原文

论文亮点

        综述了快速加热技术(RHT)在锂离子电池直接回收中的应用，重点关注活性材料的回收、高效再生和再利用。
强调了RHT通过其独特的动力学和热力学特性，实现高度时间和能源效率、精确缺陷和界面靶向的方法来恢复退化材料。

研究背景

碳中和目标的追求凸显了对锂离子电池闭环回收的迫切需求，面临生产增加和处理挑战。
直接电池材料回收，侧重于退化材料的再生，是传统火法和湿法冶金过程的环境友好替代方案。
表面、界面和相间是退化材料的主要失效机制，快速加热技术(RHT)成为一种有前景的直接回收方法。

研究方法

本研究采用快速加热技术(RHT)作为核心方法，具体包括：

自加热：使电流通过导电样品产生高温，适用于导电碳基材料，温度可高达3000°C。
冲击型加热：通过接触或非接触传热从附近高温源实现样品快速加热处理，适用于导电和非导电材料。
流动型冲击加热：可实现样品的连续处理，易于扩大规模，与现有工业卷对卷生产兼容。

RHT特征包括快速加热/冷却速率(高达10^4°C/s)和超短、毫秒级精确可控加热持续时间，通过有限的原子扩散距离实现精确的空间控制。

图2. A)自加热、B)冲击型加热和C)流动型冲击加热的示意图及电源与样品温度的对应关系

主要结论

RHT提供了一种高效、低碳、经济且有利可图的LIBs活性材料回收和再利用方法。
RHT能够实现退化活性材料与集流体的精确分离，以及这些退化材料的再生。
RHT在提高金属元素浸出效率和节能再制造方面显示出巨大潜力，有望推动电池回收向绿色和可持续电池经济发展。

活性材料分离结果

RHT是一种简便、高效、可持续的活性材料回收方法。通过RHT实现了高材料回收率，分离后的集流体箔片保持完整结构，收集的活性材料纯度高。

图3. 活性材料与集流体分离。(A)通过滚动加热(流动型冲击加热)分离废石墨与铜箔的示意图，(B)收集的铜箔和石墨图片，(C)各种正极材料中铝杂质含量

SEI工程与表面修复

通过RHT成功重建了石墨表面的SEI层，将松散有机/无机SEI层转变为紧凑且主要为无机的SEI层，厚度为30nm。

图4. SEI工程。(A)石墨表面SEI重建示意图，(B)处理前后SEI的TEM图像

图5. 表面修复。(A)废石墨靶向再生和升级回收示意图，(B)再生石墨中锂嵌入示意图，(C)再生石墨的倍率性能

相间修复

RHT可用于修复退化材料中的体相缺陷，如过渡金属溶解和锂原子空位。再生材料保留了新的亚稳态/中间结构，有利于快速Li+扩散。

图6. 相间修复。(A)退化石墨再生过程示意图，(B)通过RHT快速再生退化LFP，(C)重新排序反位Li/Fe缺陷的机制

RHT辅助湿法冶金回收

RHT可显著提高金属元素的浸出动力学和选择性，有助于降低回收成本和提高回收效率。

图7. RHT辅助湿法冶金回收有价金属元素。(A)从退化NCM中优先提取锂，(B)提高正极材料浸出率，(C)使用金属盐前驱体高效制备LIBs正极材料

RHT的规模化应用

RHT有望通过流动型冲击加热方式轻松扩大规模，与现有工业生产兼容。自加热和冲击型加热方法都可以适应流动型冲击加热过程，以促进扩大规模。

图8. 规模化模式：(A)基于RHT的阳极废料分离自动卷对卷设备图片，(B)连续RHT反应器概念设计，(C)基于RHT的废电极闭环回收流程图

环境与经济利益分析

与火法冶金和湿法冶金方法相比，基于RHT的回收方法不仅生产出电池性能恢复甚至提升的活性材料，还增加了环境和经济利益。

图9. RHT回收过程的经济和环境分析。(A)水消耗，(B)能源消耗，和(C)生产1kg石墨阳极材料产生的温室气体排放(GHG)