闪速升级回收废锂钴氧：氧抑制型锂补偿剂助力高性能电池

《Nature Communications》：Flash upcycling of spent LiCoO2 into oxygen-suppressed lithium-replenishing agent for high-performance batteries

为解决废锂离子电池传统回收方法在能耗、环保和原料适应性方面的矛盾，研究人员开展了将废LiCoO2通过闪速焦耳加热快速升级为Li6CoO4的研究。通过硫包覆技术成功抑制了氧释放并提升材料空气稳定性，使石墨||LiFePO4软包电池在1400次循环后仍保持91.4%容量。该工作为电池回收与高性能锂供应建立了可持续闭环路径。

　　

随着便携式电子设备的普及和频繁更换，全球每年产生超过10万吨废锂钴氧（LiCoO₂, LCO）电池，对可持续废物管理提出迫切需求。当前锂离子电池回收策略主要分为基于冶金学的元素提取和直接再生两类方法。传统冶金法虽能处理异质原料，但存在能耗高、锂损失严重等问题；直接再生技术虽能修复结构，但对层状氧化物材料如LCO的复杂降解机制修复效果有限。这些方法均难以同时实现高资源利用率与长期循环稳定性的平衡。

针对这一挑战，同济大学王超、黄云辉团队在《Nature Communications》发表研究，提出了一种创新的升级回收策略。研究人员采用闪速焦耳加热（flash Joule heating, FJH）技术，在10秒内将不同降解程度的废LCO转化为具有反萤石结构的Li₆CoO₄（L6CO），其作为高效锂补偿剂可弥补电池循环过程中的活性锂损失。为解决L6CO固有的空气敏感性和脱锂过程中的氧释放问题，团队开发了低温硫包覆工艺，形成均匀硫层将氧析出转化为硫酸盐形成，显著提升材料稳定性和安全性。

关键技术方法包括：采用水电解分离法从废电池中回收电极材料；通过优化FJH工艺参数（1200°C/10秒）实现废LCO向L6CO的完全转化；利用低温热处理（160°C）构建均匀硫包覆层；结合在线电化学质谱、X射线吸收光谱等表征手段解析反应机制。

快速升级回收SLCO为L6CO

研究人员从降解的2-10Ah LCO软包电池中回收电极材料，通过水电解分离法有效分离活性物质与集流体。表征显示废LCO材料存在严重的层间滑移和微裂纹，表面区域发生向尖晶石Co₃O₄的相变。FJH处理使废LCO与Li₂O在10秒内完全转化为相纯L6CO，残余碳和聚偏氟乙烯（PVDF）被用作原位还原剂。电化学测试表明L6CO具有856.2 mAh g^-1的高初始充电容量和优异的倍率性能，对不同降解程度的废料均表现出良好适应性。

通过硫包覆工程化稳定L6CO

研究人员采用160°C热处理在L6CO表面构建了约20纳米厚的均匀硫包覆层（L6CO@S）。该包覆层显著提升了材料空气稳定性，在30%相对湿度环境中暴露72小时后，未包覆L6CO质量增加12%且容量保持率仅61.2%，而L6CO@S质量变化仅1%、容量保持率达92.9%。接触角测试显示硫包覆使材料疏水性显著提升，理论计算证实硫层对H₂O和CO₂的吸附能显著降低。

硫驱动抑制L6CO@S中的氧析出

在线电化学质谱分析显示，未包覆L6CO在充电过程中产生大量O₂和CO₂，而L6CO@S几乎完全抑制了气体析出。X射线光电子能谱和X射线吸收近边结构谱分析表明，硫在充电过程中被氧化为SO₄^2-，通过化学固定晶格氧而非释放氧气参与电荷补偿。该硫介导的氧固定机制具有较低吉布斯自由能，热力学上更有利于Li₂SO₄形成。

非破坏性锂供应延长循环寿命

在石墨||LiFePO₄全电池中，添加4% L6CO@S使初始放电容量提升至159.3 mAh g^-1，在0.5C倍率下经历1400次循环后容量保持率达91.4%，平均库仑效率达99.993%。原位电化学阻抗谱和超声透射成像证实硫包覆有效抑制了气体产生和电极结构损伤。该策略在石墨||LCO体系中也表现出普适性，300次循环后容量保持率从83.2%提升至93.8%。

经济与环境分析

生命周期评估表明，该升级回收策略每千克原料能耗仅1.461 MJ，温室气体排放为0.23 kg CO₂-eq/kg，利润达42.79美元/kg，显著优于传统冶金和直接再生方法。按2024年废LCO处理量估算，可生产78,700吨L6CO，满足260万吨LFP材料的锂需求。

该研究建立了废电池材料回收与高性能锂供应的闭环路径，通过闪速焦耳加热实现秒级转化，硫包覆技术有效解决高锂含量材料的稳定性难题。相比传统方法，该策略在资源利用率、能耗控制和经济效益方面展现显著优势，为下一代锂离子电池的全生命周期管理提供了可持续解决方案。成功制备的安时级软包电池验证了其工业化可行性，标志着电池回收技术向实用化迈进重要一步。