周光敏、成会明团队在锂电回收产物功能化研究领域取得新进展

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随着报废电池与日俱增，电池回收日益成为学术界和产业界关注的焦点。清华大学深圳国际研究生院周光敏、成会明团队在前期电池直接回收研究的基础上，结合正极材料发展趋势，进一步提出了回收产物功能化的设计理念，将失效正极材料转化为高电压正极材料，实现了失效材料向高性能材料的转变，大幅度提升了回收产物的价值。
         结合前期大量的实验结果与理论计算分析，研究团队首次提出利用失效材料本征结构缺陷降低掺杂元素扩散能垒，从而增强了原子扩散，并实现掺杂原子精准占位的功能化再生机制。该机制巧妙利用了失效材料由于长期循环造成的表面缺陷和内部锂空位等“不利”结构特征，使其为原子的定向扩散提供了通道。基于该机制设计的功能化再生方法，可以同步实现锂元素的补充以及关键原子的精准占位，在过渡金属层间提供支撑作用，大幅增强层状结构在高电压下大量脱锂时的稳定性，将失效钴酸锂一步再生为在4.6V高电压下超稳定的高电压钴酸锂，300圈循环后容量保持率依然可达80%，是目前同类材料（包含从商业前驱体制备的高压钴酸锂材料）报道的最佳结果之一（图1）。该方法大幅缩短了失效钴酸锂转化为高电压钴酸锂的流程，并将再生产物的经济价值提升了20%以上，对回收产物的功能化再利用具有重要的借鉴意义。

图1 失效钴酸锂一步转化为高电压钴酸锂流程

       通过对掺杂元素功能与原子占位的理解，研究团队结合表面改性与体相掺杂策略，设计并制备了具有表面保护层与梯度体相掺杂的高电压钴酸锂材料，将其充电截止电压从4.6 V进一步推升至4.7 V，突破了4.6V钴酸锂电池稳定循环的截止电压瓶颈（图2）。所得材料在4.7 V截止电压条件下循环200圈，容量保持率仍然超过80%，远远优于现有的商业化钴酸锂正极，可对进一步提升再生正极材料的能量密度提供重要指导。

图2 具有超高截止电压的钴酸锂结构分析

       相关研究成果以“将废旧钴酸锂可持续地升级为在高电压下超稳定循环的电池正极”（Sustainable upcycling of spent LiCoO2 to an ultra-stable battery cathode at high voltage）和“通过界面稳定和能带结构调控实现4.7V的超高电压的钴酸锂”（Ultrahigh-voltage LiCoO2 at 4.7 V by Interface Stabilization and Band Structure Modification）为题分别发表在《自然·可持续性》（Nature Sustainability）和《先进材料》（Advanced Materials）。
清华大学深圳国际研究生院成会明教授、周光敏副教授为上述文章通讯作者。上海交通大学梁正副教授为“将废旧钴酸锂可持续地升级为在高电压下超稳定循环的电池正极”的共同通讯作者，清华大学深圳国际研究生院2020级博士后王俊雄、2021级研究生马骏、上海交通大学2019级联合培养博士生贾凯为该论文的共同第一作者。清华大学深圳国际研究生院2021级研究生庄兆丰、博士后王俊雄、联合培养博士生贾凯为“通过界面稳定和能带结构调控实现4.7V的超高电压的钴酸锂”的共同第一作者。电池回收的相关工作得到国家自然科学基金委、科技部、广东省科技厅、深圳市科创委等部门的支持。
       论文链接：
       https://doi.org/10.1038/s41893-023-01094-9
       https://doi.org/10.1002/adma.202212059
       文章来源：清华大学
        成会明：国际知名碳材料科学家、中科院院士、发展中国家科学院院士，清华-伯克利深圳学院教授、低维材料与器件实验室主任，中科院金属所研究员。成会明院士是国家自然科学基金委工程与材料学部咨询委员会成员、无机非金属材料学科评审专家，曾任“863”计划功能材料专家组专家，被澳大利亚研究理事会、新加坡教育部、香港地区研究资助局等国家和地区聘为外部评审专家。曾任国际刊物Carbon副主编、《新型炭材料》主编，现任国际刊物Energy Storage Materials（储能材料）主编 （影响因子>15）、Science China Materials（中国科学-材料）副主编。曾任亚洲碳协会主席、两届碳国际会议共同主席，是纳米管、石墨烯和碳科学等系列国际会议学术顾问委员，在国际会议上做特邀报告130余次，在国内外碳材料领域具有重要影响。成会明院士曾获得国家自然科学二等奖、国防科技进步二等奖、何梁何利科技进步奖、美国碳学会Pettinos 奖、德国Felcht奖、桥口隆吉基金奖、辽宁省自然科学奖一等奖（2项）、美国化学会ACS Nano Lectureship奖等。他已发表学术论文550余篇，其中2007～2016年发表的论文中有ESI高被引论文72篇，论文被引用53000多次（h因子达106），获授权中国及PCT专利100余项，成立了5家高新技术材料企业。
       周光敏，主要研究方向为电化学储能材料与器件，已发表论文130余篇，其中第一作者及通讯作者论文包括Nature Nanotechnology，Chemical Reviews，Nature Communications，Science Advances，PNAS，Advanced Materials等。论文被引用 24800多次，H-index为64，2018-2020连续3年入选科睿唯安全球高被引科学家。担任期刊Energy Storage Materials科学执行编辑，获得包括国家海外高层次人才（青年）、广东省材料研究学会青年科技奖、能源存储材料青年科学家奖、中国科学院院长特别奖、中国科学院优秀博士论文、Carbon Journal Prize等奖励。