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華科大孫永明Nature子刊:反應(yīng)-鈍化機(jī)制驅(qū)動材料分離,實(shí)現(xiàn)廢舊鋰離子電池的便捷回收

華科大孫永明Nature子刊:反應(yīng)-鈍化機(jī)制驅(qū)動材料分離,實(shí)現(xiàn)廢舊鋰離子電池的便捷回收
開發(fā)廢鋰離子電池(LIB)中正極材料的有效回收策略是非常可取的,但仍然存在重大挑戰(zhàn),其中鋁箔和正極活性材料層的便捷分離是重要的第一步。
華科大孫永明Nature子刊:反應(yīng)-鈍化機(jī)制驅(qū)動材料分離,實(shí)現(xiàn)廢舊鋰離子電池的便捷回收
圖1 反應(yīng)鈍化驅(qū)動的鋁箔和活性材料層分離示意圖
華中科技大學(xué)孫永明等提出了鋁箔-活性材料層分離的反應(yīng)-鈍化驅(qū)動機(jī)制。具體而言,該實(shí)驗(yàn)采用含有六個磷酸羧基和十二個羥基的植酸(PA)水溶液作為LIB正極分離的試劑。PA的強(qiáng)酸性可促使其與鋁箔表面的Al2O3和金屬鋁快速反應(yīng),產(chǎn)生Al3+離子和氣泡,從而導(dǎo)致正極活性材料層與鋁箔之間失去接觸。
PA與鋁箔表面的Al2O3和金屬鋁反應(yīng)生成致密的Al-PA層,與鋁箔之間具有很強(qiáng)的共價(jià)鍵相互作用,再加上氣泡,會破壞活性材料層中鋁箔與 PVDF 之間的相互作用。由于正極材料層的尺寸較大(幾厘米),因此很容易通過物理沉淀分離和收集,這有利于進(jìn)一步的操作。
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圖2 鋁箔和PA溶液在不同條件下的特性
此外,PA 分子會立即與Al3+發(fā)生螯合作用,形成鋁-植酸絡(luò)合物(Al-PA),并終止PA與表面Al之間的進(jìn)一步腐蝕反應(yīng)。原則上,一個Al3+離子可與1-3個PA分子配位,而一個PA分子則可通過其豐富的磷酸基/羧基的強(qiáng)大螯合能力與一定量的Al3+離子配位。由于PA與Al3+離子之間存在上述各種連接模式,一旦溶解了極少量的表層鋁,就會在原位產(chǎn)生一個復(fù)雜的[Al-PA]網(wǎng)絡(luò)。
因此,PA溶液可通過原位鈍化機(jī)制最大限度地減少腐蝕,并顯示出以低成本、低能耗高效分離活性材料層和鋁箔的巨大潛力,從而實(shí)現(xiàn)電池正極材料的高效回收。
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圖3 PA直接回收和其他回收方法的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境分析
Reaction-passivation mechanism driven materials separation for recycling of spent lithium-ion batteries. Nature Communications 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-40369-9

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