失效锂离子正极材料原位重构合成氧气电极双功能催化材料的原理研究

The development of lithium ion battery industry produces a large number of spent batteries, and most of the failure batteries are separated and recycled by wet chemical separation. However, it is difficult to separate and purify their ternary electrode materials. In order to resolve this difficulty, this item tries to research the principle to in-situ revise and modify the components of spent materials, and to reconstruct the crystal structure morphology of the active materials, by sufficiently making use of the device function of the spent electrodes, and finally to target-oriented synthesize bifunctional ORR/OER catalytic materials for rechargeable lithium-air battery. Combining in-situ spectral analysis and electrochemical scanning analysis to theoretical chemical modeling, the item will explore the dynamic electrochemical properties and thermodynamic properties in extremely invalided state, the electrochemical catalytic mechanism of oxygen as swell as the molecular design theorem for ORR/OER bifunctional catalysts, electrochemical theory on targeted diffusion and insertion of metal, thermochemical theory for controlling oxygen vacancies and crystal phase. Ultimately, the theory of in-situ reconstruction of spent anode materials and the new system design of the secondary lithium-air battery are constructed, which will provide a theoretical basis for the application of the whole life cycle of lithium-ion battery.

锂离子电池产业发展产生大量失效电池，大部分失效电池剥离粉粹后通过湿法化学分离再回收。然而，其三元电极材料组成元素性质相近，再分离提纯难度大。本项目针对失效锂离子电池正极为具有确定组成与结构的器件的特征，提出对失效三元电极进行原位改性和晶相重构，目标导向合成二次锂-空气电池用ORR/OER双功能催化材料的构思，以期实现失效三元电极材料再使用。项目拟采用原位光谱分析、扫描电化学分析、理论化学模拟相结合的方法，研究锂离子三元电极材动态电化学性质及其极端失效热力学性质，研究二次锂空气电池氧电极催化机理以及Ni/Co/Mn/类双功能催化材料设计原理，探索失效三元正极材料金属元素定位与定量嵌/脱、氧元素有序控制的规律，阐明失效电极材料组成精细调控电化学原理及晶型与组织重构热化学原理，构建失效锂离子电池正极材料原位再生理论和二次锂空气电池氧阴极新体系设计原理，为锂离子电池全生命周期应用提供理论基础。

锂离子电池产业发展产生大量失效电池，对正极整体改造后进行梯级利用与结构再造是一种理想的材料与器件回收方法。项目以失效锂离子电池正极材料为研究对象，围绕将失效电极材料重构为Li-O2电池用镍/钴/锰基复合氧化物ORR/OER 双功能催化材料的研究目标，采用电化学分析、原位光谱分析、理论化学模拟等方法，研究了层状结构锂离子电池材料极端充放电后组成与结构及电化学性能演变规律、失效正极材料金属选择性嵌/脱与氧位控制规律、失效锂离子正极材料晶相重构的热力学原理，阐明了层状结构电极材料动态失效机制；建立了金属元素电化学嵌/脱规律和氧元素化学势控制方法，获得了一系列基于失效锂离子正极材料原位重构的ORR/OER双功能催化剂。新设计的双功能催化剂应用于锂空气电池实现了14290 mAh g-1的高比容量（锰基）和1100小时以上的循环寿命（钴基）。同时，项目建立了短流程直接修复方法，重构了锂离子电池正极材料，建立了废旧锂离子电池正极材料原位再构造高电压正极材料方法，实现了高倍率充放电的同时具有良好的电化学稳定性。本项目的实施不仅为废旧锂离子电池的资源化回收利用提供思路，所提出的设计思想也为可再生燃料电池和新型锂金属电池等体系的设计提供一定的借鉴。在项目的资助下，在Energy & Environmental Science、Chemical Engineering Science和Chemical Engineering Journal等期刊发表SCI论文14篇（其中论文单篇引用最高次数达890次）；申请专利3项其中授权1项；培养博士研究生4名，硕士研究生5名；全面完成各项研究任务。