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梁正团队Angew, AM, JACS连续发文:长循环锂金属电池设计与失效电池再生新思路
发布时间:2022年11月14日 11:13


       随着人类社会对清洁能源的需求日渐加深,高比能锂二次电池逐渐成为研究热点。然而,高比能电池材料在充放电过程中会难以避免地发生巨大的周期性体积变化,造成电池的失效甚至更为严重的安全问题。对此,上海交通大学变革性分子前沿科学中心梁正课题组创新性地引入具有能量耗散功能的机械互锁聚合物网络(Mechanically Interlocked Network, MIN)作为电池材料保护层,对充放电过程中电池材料反复膨胀或枝晶生长产生的机械应力进行耗散,实现电池材料的长效稳定。该工作以锂金属电池为例,将基于[2]轮烷的MIN作为锂负极界面层。通过网络中高密度的[2]轮烷单元在外力下发生的主客体解离与分子内滑动,耗散由于锂金属反复沉积剥离所带来的体积变化对界面层施加的应力,避免了应力在聚合物界面层中的集中与积累,因而获得了可长循环的锂金属电池。可以预见的是,在广泛的高比能二次电池体系中,电池材料巨大的周期性体积变化是一个系统性存在的问题。相比着眼于设计高模量聚合物材料来应对单次的体积膨胀或枝晶穿刺,具备独特能量耗散机制的机械互锁聚合物可对这一问题给出很好的应对。因此可以预期,机械互锁聚合物网络可在其他涉及电池材料体积变化的领域展示出更大的潜力。相关研究成果以“Durable Lithium Metal Anodes Enabled by Interfacial Layers Based on Mechanically Interlocked Networks Capable of Energy Dissipation”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.(德国应用化学)上,第一作者为上海交通大学博士研究生赵骏、博士后洪敏。第一通讯单位为上海交通大学变革性分子前沿科学中心。

文章信息

Jun Zhao#, Min Hong#, Zhijin Ju, Xuzhou Yan, Yanzhe Gai, and Zheng Liang*, Durable Lithium Metal Anodes Enabled by Interfacial Layers Based on Mechanically Interlocked Networks Capable of Energy Dissipation. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202214386.

https://doi.org/10.1002/anie.202214386 

第一作者:赵骏、洪敏

通讯作者:梁正

通讯单位:上海交通大学变革性分子前沿科学中心


       虽然高比能锂二次电池的迅速普及满足了社会对于可再生能源存储的迫切需求,但在不久的将来,将不可避免地产生大量的废电池。如果这些废电池处理不当,不仅会造成资源的巨大浪费,还会对环境产生重大影响。我们认识到废弃锂电池既是污染物,也是宝贵的资源,因此从废电池中回收锂资源和其它稀贵金属资源势在必行。由于正极材料是电池组件中成本最高的,因此回收正极比回收其他部件更有意义。传统的大规模处理方法有湿法冶金和火法冶金,但这两种方法都存在回收率有限、能耗较高、环境不友好等问题。针对上述问题,上海交通大学梁正副教授和清华大学深圳国际研究生院成会明院士以及周光敏副教授提出了一种环保、高效、低成本的废LiFePO4正极材料直接再生方法。使用乙醇作为溶剂和还原剂,醋酸锂为锂源,通过水热处理和烧结对废LiFePO4进行修复再生。该工作在LiFePO4和氮掺杂碳之间构建了一个来自于添加聚乙烯吡咯烷酮的异质界面。引入N原子来调节Fe的d带中心,以提高再生LiFePO4的循环稳定性。本文发现再生LiFePO4中Fe的d带中心在N原子引入后向上移位,因此O 2p轨道的电子倾向于填入Fe-O成键轨道,增强了Fe-O之间的键合,O在循环过程中固定铁离子。因此,在后续的循环过程中,缺陷的浓度和Li+扩散势垒明显降低。具体来说,修复再生后的磷酸铁锂正极材料在1000次循环后显示出显著改善的循环稳定性,在10 C大电流密度下的容量保留率为~80%。这项工作提出了一种独特的策略,以实现废LiFePO4的直接再生。相关研究成果以“Long-Life Regenerated LiFePO4 from Spent Cathode by Elevating the d-Band Center of Fe”为题发表在Adv. Mater.(先进材料)上,第一作者为上海交通大学博士研究生贾凯、清华大学硕士研究生马骏、上海交通大学博士后王俊雄。第一通讯单位为上海交通大学变革性分子前沿科学中心。

文章信息

Kai Jia#, Jun Ma#, Junxiong Wang#, Zheng Liang*, Guanjun Ji, Zhihong Piao, Runhua Gao, Yanfei Zhu, Zhaofeng Zhuang, Guangmin Zhou*, and Hui-Ming Cheng*, Long-Life Regenerated LiFePO4 from Spent Cathode by Elevating the d-Band Center of Fe. Adv. Mater. 2022, e202208034.

https://doi.org/10.1002/adma.202208034 

第一作者:贾凯、马骏、王俊雄

通讯作者:梁正、周光敏、成会明

通讯单位:上海交通大学变革性分子前沿科学中心、清华大学深圳国际研究生院、中国科学院深圳先进技术研究院、中国科学院金属研究所



       上述失效电池材料直接修复再生的新思路不仅仅适用于磷酸铁锂正极,对层状过渡金属氧化物正极也具有适用性。为证实这一猜想,上海交通大学变革性分子前沿科学中心梁正与清华大学深圳国际研究生院成会明院士、周光敏副教授合作,着力发展了直接回收的思路,并设计了具有最低共熔点的二元锂盐LiI-LiOH共熔体系,提供富锂的熔融环境和快速离子扩散路径。在锂盐与Co2O3、MnO2等添加剂的共同作用下,经简单的一步加热即可实现高失效三元锂电正极材料的直接修复再生。完全失效的镍钴锰三元正极材料NCM523经过修复后,容量和循环稳定性可提升至与商业材料相当水平,能够直接用作电极材料。此外这种策略被证实对很多层状过渡金属氧化物正极材料都适用,具有极强的应用前景。相关研究成果以“Adaptable Eutectic Salt for the Direct Recycling of Highly Degraded Layer Cathodes”为题发表在J. Am. Chem. Soc.美国化学会志)上,并被选为主封面。第一作者为清华大学硕士研究生马骏、上海交通大学博士后王俊雄、上海交通大学博士研究生贾凯。第一通讯单位为清华大学深圳国际研究生院。

文章信息

Jun Ma#, Junxiong Wang#, Kai Jia#, Zheng Liang*, Guanjun Ji, Zhaofeng Zhuang, Guangmin Zhou*, and Hui-Ming Cheng*, Adaptable Eutectic Salt for the Direct Recycling of Highly Degraded Layer Cathodes. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 44, 20306–20314.

https://doi.org/10.1021/jacs.2c07860 

第一作者:马骏、王俊雄、贾凯

通讯作者:梁正、周光敏、成会明

通讯单位:清华大学深圳国际研究生院、上海交通大学变革性分子前沿科学中心、中国科学院深圳先进技术研究院、中国科学院金属研究所