廢舊鋰離子電池正極材料修復與回收有了新策略

鋰離子電池被廣泛應用于諸多領域，但其有限的使用壽命帶來了資源緊張和環境風險等挑戰，因此廢舊鋰離子電池的回收已然成為學術界和產業界關注的焦點。與從廢舊電池中提取關鍵金屬的傳統冶金方法不同，直接回收工藝可以修復受損材料，并通過有效的處理最大限度地運用其價值。

然而，現有直接回收方法依賴長時間加熱以實現失效結構的重排。此外，鋰離子電池的性能基準不斷提升，即使廢舊鋰離子電池直接再生能夠恢復其原始性能，往往也會與最新的市場要求存在差距，這兩大問題對直接回收技術的發展與應用提出了全新挑戰。

近日，清華大學深圳國際研究生院副教授周光敏團隊與中國科學院深圳先進技術研究院研究員成會明團隊合作，在《自然—協議》發表最新研究成果。研究團隊在前期失效電池材料直接修復與升級回收研究的基礎上，利用外場作用構建連續非平衡態修復過程，突破熱力學限制，從而降低了再生過程的整體能壘。他們深入剖析了直接升級回收過程的設計思想，指出其核心是在目標材料和初始材料之間構建可行的直接相變路徑，最終提出了通用性的超快直接修復與升級回收策略。

研究團隊在前期大量的實驗結果與經驗積累的基礎上，開展了方法學創新，基于焦耳定律通過在修復過程中引入外電場，利用自由電子與原子晶格碰撞在極短時間內釋放能量，從而將修復過程由熱力學主導轉變為動力學主導的過程，克服了現有直接修復穩態反應速率的局限，指數級縮短了修復時長，大幅提高了修復效率及物料與能量利用率，通過秒級超快過程即可完成失效材料的物相重構與性能恢復。

以失效錳酸鋰材料為例，該研究構建了連續相轉變的路徑，展示了將其單步超快升級為下一代高性能鋰離子電池正極材料的有效性與通用性。升級產物包括高壓快充型鎳錳酸鋰正極材料、高能量密度型無鈷富鋰錳基層狀氧化物正極材料等，將整體經濟效益較直接修復提高3至5倍。得益于超快非平衡反應過程，有效調控了鋰離子、過渡金屬離子及空位缺陷的遷移與重排行為，成功在材料中引入元素梯度分布及適量的有益結構缺陷，再生產物的循環穩定性、快速充放性能超越了同類商業正極材料。

相比于傳統的回收方法，該策略具有短流程、高效率、可拓展等一系列優勢，為直接修復方法的發展提供了新的視角與思路。此外，該研究詳細介紹了廢舊鋰離子電池正極材料直接修復與升級回收的操作流程及實驗細節，可為進入該新興研究領域的跨學科研究人員提供可靠指導，從而促進鋰離子電池的綠色循環與可持續發展。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41596-025-01234-9