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Angew. Chem. :电位可控的氧化还原对用于废旧电池中锂的安全高效提取2023-11-13
伴随锂离子电池市场的繁荣与扩张,废旧电池的资源化回收利用受到越来越多的关注。传统的回收方法主要集中在高价值过渡金属的提取,对日益匮乏的锂资源缺乏足够的重视。此外,嵌锂态负极本征的高反应活性带来的安全性问题也使锂的回收存在较大的挑战。因此,安全、高效、环境友好的新型锂回收技术的开发对于废旧电池的资源化利用、锂电池的闭环绿色发展具有重大而深远的意义。

近日,中国科学院化学研究所郭玉国研究员团队提出了一种利用电位可控的氧化还原对实现废旧电池中锂的安全高效提取的策略。考虑到与活性锂反应的安全性,巧妙选择电位可控的非质子类化合物多环芳烃(PAHs)作为提取剂,通过优化条件下PAHs溶液实现了接近100%的锂提取效率。同时,提锂溶液可直接作为锂化试剂用于负极预锂或废旧正极直接再生。这种策略实现了废旧电池中锂的高效回收和再利用。

 

 

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通过对溶质、溶剂、反应条件的优化,废旧电池中的活性锂被全部提取到溶液中,实现“提锂降活”的效果。电子顺磁共振结果证实了回收产物是化学稳定的Li-PAHs复合物。进一步回收负极中残留的锂盐,最终总的回收产率达到99.5%。

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利用变温XRD模拟浸出反应,石墨(002)峰的偏移表明锂离子自发从石墨中脱出与PAHs反应形成Li-PAHs复合物。另一方面,核磁共振进一步揭示了溶剂化结构对反应动力学的影响。长链醚相对较弱的溶剂化能力和较大的空间位阻有利于PAHs脱溶剂化过程,并加强离子之间的相互作用,从而加速锂的提取。

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Li-PAHs溶液保留较强的还原性,是一种高效稳定的锂化试剂。将其用于废旧正极的直接再生,常温常压下Li+即可自发由Li-PAHs溶液向废旧LFP内部迁移,同时修复Li-Fe反位缺陷。再生后的LFP表现出与新材料接近的容量和循环稳定性。另一方面,提锂溶液还可以被用于负极预锂化,提高硅基负极首圈库伦效率。

郭玉国研究员团队基于构效关系设计具有不同氧化还原电位的多环芳烃,实现了废旧电池中负极安全高效提锂。可定制化的Li-PAHs产物在碱金属电池、有机合成、药物研发等领域均有广阔的应用前景。这一策略实现了锂资源的闭环回收利用,避免了污染排放,为电池回收的可持续发展提供了新思路。

文信息

Potential Controllable Redox Couple for Mild and Efficient Lithium Recovery from Spent Batteries

Xin Chang, Min Fan, Boheng Yuan, Chao-Fan Gu, Wei-Huan He, Chen Li, Xi-Xi Feng, Prof. Sen Xin, Dr. Qinghai Meng, Prof. Li-Jun Wan, Prof. Yu-Guo Guo

文章的第一作者是常昕和范敏博士,通讯作者是孟庆海副研究员和郭玉国研究员

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202310435

 

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