5、为了将锂离子和电子插入从废电池中回收的缺锂NMC中,我们提出了一种创新的一步再生策略,利用氧化还原活性有机化合物作为可回收的电子供体(RED),可以在室温下在环境空气中使用。使电子从中性的RED自发转移到NMC正极的第一个基本标准是,RED的氧化电位应低于NMC充电的初始电位(3.7 V),从而导致反应的吉布斯自由能(ΔG =−nFE =−nF(ENMC - ERED/RED+))为负值。
1)当溶解在含有Li盐的再生溶液中时,这些RED可以通过自发电子从中性RED的最高占据分子轨道(HOMO)转移到缺锂NMC的Ni 3d轨道,从而将高价Ni还原到较低的氧化态(图1c)。为了保证电荷中性,锂离子被插入到缺锂NMC的晶格中: Li1-xNiyMnzCo1-y-zO2 + x e- + x Li+ → LiNiyMnzCo1-y-zO2 (1)同时,氧化后的REDs(RED+)通过以下反应与Li盐中剩余的阴离子形成离子对:x RED + x A- → x RED+-A- + x e- (2) 2)作为第二个标准,RED的氧化还原电位应高于层状氧化物中Mn3+/Mn4+氧化还原对的电位,约为1.6 V vs. Li/Li+,以抑制过锂化形成Li2TMO2相(P3_m1空间群),避免导致不可逆的结构降解。
3)为了验证基于RED的再生方法的实际可行性,我们系统地评估了NMC622在工业电池制造设施中常用的干燥空气环境下再生后的电化学性能。在干燥空气(表示为“干空气(DME)”)下再生缺锂的NMC622后,100%的充电容量被恢复(177.7 mAh g−1),从而产生100%的CE,证明了该工艺在干燥空气条件下的兼容性。 4)基于RED再生的一个值得注意的优点是,使用过的再生溶液可循环用于多个阴极再生过程。由于中性REDs (RED0)和RED+阳离子之间的氧化还原反应具有很高的可逆性,而不会造成键断裂,因此我们可以在提供Li源的同时将RED+阳离子还原为RED0,从而使再生后的溶液可重复使用。
6、得益于我们方法的简单性和可扩展性,我们演示了商用1-Ah电池的废正极再生(图4a)。再生后的NMC811的初始充电容量为202.3 mAh g−1,比循环后的阴极(162.9 mAh g−1)高24.2%,与新鲜阴极(192.9 mAh g−1)相当(图4b)。
1)在0.1C下,三种阴极的放电曲线差异可以忽略不计,说明NMC811在长期循环和再生过程中没有明显的晶体结构恶化。此外,再生阴极表现出高倍率性能(在3C时为141 mAh g−1)和长期可循环性(在150次循环后保持率为82.1%),类似于新鲜和循环阴极(图4c, 4d),验证了RED基锂化几乎不会引起副反应,从而破坏活性材料的结构完整性和界面电荷转移动力学。 2)图5a比较了传统的正极直接再生方法和我们基于RED的工艺。基于RED的阴极再生利用了在环境条件下(30°C, 1atm和干燥空气)发生的氧化还原反应,因此有望在大规模回收系统中具有出色的可行性(图5a和5b)。研究强调,使用具有足够氧化还原电位的可溶性给电子p型分子(EO2/O2-. < ERED/RED+ and EHER < ERED/RED+ < EOER)是实现再生溶液高空气稳定性的关键,避免了与O2和水分的反应。
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