技術(shù)文章
TECHNICAL ARTICLESPHI TOF-SIMS Assisting The Green and Sustainable Development Strategy of Lithium Battery
隨著國內(nèi)新能源汽車銷量高速增長,動力電池裝機量也隨之迅速攀升。鑒于新能源汽車動力電池的平均使用壽命約為6~8年,動力電池在未來2-3年內(nèi)將迎來大規(guī)模退役潮,因此動力電池的回收已成為全國甚至全球相關(guān)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。鋰的回收需要考慮諸多問題,如回收效率、回收成本、環(huán)境污染以及方法的可行性等。傳統(tǒng)的廢鋰回收方法主要有火法冶金、濕法冶金、生物冶金和電化學萃取等。然而,根據(jù)全球環(huán)境規(guī)劃署(United Nations Environment Programme)的報告,歐盟的廢LIB回收率不5%,這意味著廢鋰的回收仍然面臨著極大的挑戰(zhàn)。
近來,鄭州大學電氣與信息工程學院電網(wǎng)儲能團隊,在廢舊電池鋰資源回收的研究上取得了新進展。該團隊通過構(gòu)筑“富鋰電極(負極)|| LLZTO@LiTFSI+P3HT || LiOH(正極)" 的新型電化學提鋰系統(tǒng),提出了一種綠色、低能耗、高效率(回收率高達97%)的鋰回收策略,在獲得高純度(99%)LiOH的同時還能生成綠色能源H2。此外,利用ULVAC-PHI的飛行時間二次離子質(zhì)譜(PHI nanoTOF II),借助高分辨的2D + 3D圖,直觀地證明了對鋰的成功回收。相關(guān)研究以“A Green and Sustainable Strategy towards Lithium Resources Recycling from Spent Batteries"為題,發(fā)表在國際有名期刊《Science Advances》上。
圖1 廢舊鋰電池綠色無害鋰資源回收系統(tǒng)的示意圖。
鋰提取過程的總體反應(yīng)和工作原理如圖1所示。該裝置以石榴石型Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 (LLZTO)陶瓷來制作固體電解質(zhì)管,通過對系統(tǒng)充電,讓水發(fā)生水解形成OH -和H+離子,其中OH−離子與提取的Li+反應(yīng)生成LiOH,而H+離子則從外部電路獲得電子,產(chǎn)生H2,從而實現(xiàn)對Li的綠色、可持續(xù)回收。
圖2 LiFePO4電極(a)、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 電極(b-c)提取鋰后的TOF-SIMS表征
為了確認Li的回收情況,對Li回收前后的電極進行了TOF-SIMS分析。如圖2a所示,經(jīng)過鋰提取后的LFP(LiFePO4)電極,Li−的信號幾乎消失,F(xiàn)ePO4 –信號保持不變。該結(jié)果直觀地證明了通過鋰回收裝置,成功地從LFP電極中提取了鋰。此外,為了研究鋰回收系統(tǒng)的普適性,進一步評估了對廢舊LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2電池的鋰回收性能,結(jié)果見圖2b和2c。TOF-SIMS深度剖析曲線以及3D模型均直觀地顯示組分中各離子的深度分布情況,結(jié)果表明鋰提取后電極中Ni−、Co−和Mn−的信號幾乎沒有變化,而Li−消失,再次驗證了該鋰回收裝置對回收廢舊鋰電池中鋰的高效性和可行性。
總之,本文提出了一種綠色的、可持續(xù)的從廢電池中回收鋰的新型戰(zhàn)略,并借助TOF-SIMS等分析技術(shù)對鋰的回收性能進行了充分驗證。
ULVAC-PHI作為全球技術(shù)先進的表面分析儀器廠商,一直致力于開發(fā)先進的儀器設(shè)備,力圖幫助用戶解決科研和生產(chǎn)中的相關(guān)難題,共同推動表面分析技術(shù)的發(fā)展。
參考文獻
[1] Xu J. et al. A green and sustainable strategy toward lithium resources recycling from spent batteries. Sci. Adv. 8, eabq7948 (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq7948.
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