目前,鋰離子電池由于其高能量和功率密度,已成為便攜式電子產(chǎn)品和混合動(dòng)力/全電動(dòng)汽車的主流電源。近年來,電動(dòng)汽車得到迅速地發(fā)展與普及,并有望在不久的將來代替燃油車,這將大大降低汽車的使用對(duì)環(huán)境造成的污染和對(duì)化石能源的依賴。然而,可以預(yù)見的是,在電池壽命結(jié)束時(shí)將不可避免地出現(xiàn)大量的廢舊電池。廢舊鋰離子電池不僅含有重金屬鈷、鎳等,還含有易燃有毒的電解液,如果得不到妥善處理,不僅對(duì)人類的健康發(fā)展有害,也會(huì)破壞自然生態(tài)環(huán)境。因此,如何將廢舊電池材料回收再利用的具有重要意義。目前廢舊鋰離子的回收利用普遍采用的是繁瑣的分離和復(fù)雜的提取技術(shù)。這些方法存在使用的有機(jī)溶劑成本昂貴、廢氣排放高、回收路線復(fù)雜、金屬純度不理想等明顯缺點(diǎn)限制了其在工業(yè)上的有效應(yīng)用。亟待探索廢舊電池材料回收利用的新思路,讓廢料重新獲得生機(jī)。

近日,天津大學(xué)胡文彬,陳亞楠團(tuán)隊(duì)提出了一種簡單,高效且成本低廉的策略,將廢舊電池正極材料修飾和再生成為性能優(yōu)異的電催化劑應(yīng)用在水電解過程中,成功實(shí)現(xiàn)了從廢舊電池電極材料到電催化劑的功能轉(zhuǎn)變。在該工作中廢舊電池材料通過一步修飾,搖身一變成為了水電解反應(yīng)的陽極催化劑。該催化劑的性能可與貴金屬相媲美,不但能夠大大降低電解水過程的電能消耗,同時(shí)也有望替代貴金屬從而降低電解水技術(shù)的成本,為大規(guī)模氫氣的制備提供條件。文章發(fā)表在《中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃》—SCIENCE CHINA Materials 2021, DOI: 10.1007/s40843-021-1682-0上。博士生崔柏樺為本文第一作者。

該方法優(yōu)勢明顯,相比于現(xiàn)有其他廢舊電池回收利用方法,上述策略具有更低的材料損耗,更短的生產(chǎn)周期以及大規(guī)模工業(yè)化的潛力。重要的是,這一策略最大限度地有效利用電池廢料,減少可能的環(huán)境污染,節(jié)約寶貴的礦產(chǎn)資源,還能夠作為工業(yè)電解水催化劑用于氫氣的制備,可謂一舉兩得。作為一種綠色和通用的方法,該研究為基于廢舊電池材料規(guī)?；苽鋬?yōu)良電催化劑提供了新的機(jī)遇。一方面,易于實(shí)施、產(chǎn)率高、可放大等特點(diǎn)使其具有很高的工業(yè)價(jià)值、成本優(yōu)勢和市場潛力。另一方面,廢舊電池材料的低成本高效回收利用也將為我國節(jié)能減排以及碳中和做出貢獻(xiàn)。

Waste to wealth: Defect-rich Ni-incorporated spent LiFePO4 for efficient oxygen evolution reaction. Baihua Cui, Chang Liu, Jinfeng Zhang, Jijun Lu, Siliang Liu, Fangshuai Chen, Wei Zhou, Guoyu Qian, Zhi Wang, Yida Deng, Yanan Chen and Wenbin Hu. SCIENCE CHINA materials. 2021, DOI: 10.1007/s40843-021-1682-0. https://doi.org/10.1007/s40843-021-1682-0

作者簡介:

胡文彬,天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,教授,1994年獲中南大學(xué)有色金屬冶金專業(yè)博士學(xué)位,同期到上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從事博士后科研工作。1996年5月出站后留在實(shí)驗(yàn)室工作并晉升為副教授,1999年破格晉升為教授,曾獲上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人、曙光學(xué)者,教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才。2014年任天津大學(xué)材料學(xué)院院長、教授、博導(dǎo)。曾獲得國家杰出青年科學(xué)基金資助,長期從事關(guān)鍵能源材料及表界面科學(xué)與工程研究。

先后承擔(dān)了國家杰出青年基金、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)等項(xiàng)目30余項(xiàng),獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)排名第一,省部級(jí)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)排名第一,是科技部及天津市重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等國際知名刊物發(fā)表論文300余篇,申請(qǐng)國家發(fā)明專利60余項(xiàng),授權(quán)24項(xiàng),出版中英文學(xué)術(shù)專著或教材4部。國際電化學(xué)能源科學(xué)院IAOEES理事會(huì)委員,中國材料研究學(xué)會(huì)青年委員會(huì)高級(jí)理事、腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)常務(wù)理事,任Science China Materials、無機(jī)材料學(xué)報(bào)、中國有色金屬學(xué)報(bào)等學(xué)術(shù)期刊編委。

陳亞楠,天津大學(xué)"英才計(jì)劃"特聘研究員,清華大學(xué)"卓越學(xué)者",中國科協(xié)青年人才托舉項(xiàng)目入選者。主要從事新型材料制備及其在能源中的應(yīng)用,研究興趣包括:能源存儲(chǔ)鋰/鈉離子電池,能源轉(zhuǎn)換電催化。現(xiàn)已在Nature Energy、Nature Comm.、Science Advances、JACS、PNAS、Materials Today、Adv. Mater.等高影響力期刊上發(fā)表研究論文70余篇,論文引用4000余次,5篇論文入選高被引論文。申請(qǐng)美國專利4項(xiàng),國內(nèi)專利10余項(xiàng),專利轉(zhuǎn)化一項(xiàng)轉(zhuǎn)化金額240萬。承擔(dān)/參與基金委重大研究計(jì)劃,科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目等多項(xiàng)課題。擔(dān)任多種國際著名學(xué)術(shù)期刊,如Chemical Review, Matter, Adv. Mater., AEM, ACS Nano等30多個(gè)學(xué)術(shù)期刊的審稿人,以及雜志Chinese Chemical Letters, Materials, Frontiers in Energy Research客座編輯,Chinese Chemical Letters, Rare Metals青年編委。中國最大的科研科技傳播平臺(tái)"科研云"發(fā)起人之一。

周偉,天津大學(xué)理學(xué)院,副教授,于2006年和2010年獲得天津大學(xué)獲得了學(xué)士和博士學(xué)位。2011年加入天津大學(xué)理學(xué)院作為助理教授,曾是日本國立材料物質(zhì)研究所NIMS的客座研究員。研究方向主要聚焦于半導(dǎo)體材料和光催化材料的磁、光和電學(xué)性能的第一性原理,金屬材料機(jī)械性能第一性原理計(jì)算,以及半導(dǎo)體材料薄膜的制備及其物性研究。

崔柏樺,天津大學(xué)-新加坡國立大學(xué)福州聯(lián)合學(xué)院博士研究生。2019年畢業(yè)于天津大學(xué),獲理學(xué)碩士學(xué)位。主要研究方向?yàn)殡姶呋{米材料的設(shè)計(jì)與合成。