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應用分享 | PHI TOF-SIMS助力鋰電的綠色可持續發(fā)展戰略

更新時(shí)間:2024-07-02點(diǎn)擊次數:487

PHI TOF-SIMS Assisting The Green and Sustainable Development Strategy of Lithium Battery

隨著(zhù)國內新能源汽車(chē)銷(xiāo)量高速增長(cháng),動(dòng)力電池裝機量也隨之迅速攀升。鑒于新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的平均使用壽命約為6~8年,動(dòng)力電池在未來(lái)2-3年內將迎來(lái)大規模退役潮,因此動(dòng)力電池的回收已成為全國甚至全球相關(guān)產(chǎn)業(yè)可持續發(fā)展的關(guān)鍵。鋰的回收需要考慮諸多問(wèn)題,如回收效率、回收成本、環(huán)境污染以及方法的可行性等。傳統的廢鋰回收方法主要有火法冶金、濕法冶金、生物冶金和電化學(xué)萃取等。然而,根據全球環(huán)境規劃署(United Nations Environment Programme)的報告,歐盟的廢LIB回收率不5%,這意味著(zhù)廢鋰的回收仍然面臨著(zhù)極大的挑戰。

近來(lái),鄭州大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院電網(wǎng)儲能團隊,在廢舊電池鋰資源回收的研究上取得了新進(jìn)展。該團隊通過(guò)構筑“富鋰電極(負極)|| LLZTO@LiTFSI+P3HT || LiOH(正極)" 的新型電化學(xué)提鋰系統,提出了一種綠色、低能耗、高效率(回收率高達97%)的鋰回收策略,在獲得高純度(99%)LiOH的同時(shí)還能生成綠色能源H2。此外,利用ULVAC-PHI的飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜(PHI nanoTOF II),借助高分辨的2D + 3D圖,直觀(guān)地證明了對鋰的成功回收。相關(guān)研究以“A Green and Sustainable Strategy towards Lithium Resources Recycling from Spent Batteries"為題,發(fā)表在國際有名期刊《Science Advances》上。

圖1 廢舊鋰電池綠色無(wú)害鋰資源回收系統的示意圖。

鋰提取過(guò)程的總體反應和工作原理如圖1所示。該裝置以石榴石型Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 (LLZTO)陶瓷來(lái)制作固體電解質(zhì)管,通過(guò)對系統充電,讓水發(fā)生水解形成OH -和H+離子,其中OH−離子與提取的Li+反應生成LiOH,而H+離子則從外部電路獲得電子,產(chǎn)生H2,從而實(shí)現對Li的綠色、可持續回收。

圖2 LiFePO4電極(a)、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O電極(b-c)提取鋰后的TOF-SIMS表征

為了確認Li的回收情況,對Li回收前后的電極進(jìn)行了TOF-SIMS分析。如圖2a所示,經(jīng)過(guò)鋰提取后的LFP(LiFePO4)電極,Li−的信號幾乎消失,FePO4 信號保持不變。該結果直觀(guān)地證明了通過(guò)鋰回收裝置,成功地從LFP電極中提取了鋰。此外,為了研究鋰回收系統的普適性,進(jìn)一步評估了對廢舊LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2電池的鋰回收性能,結果見(jiàn)圖2b和2c。TOF-SIMS深度剖析曲線(xiàn)以及3D模型均直觀(guān)地顯示組分中各離子的深度分布情況,結果表明鋰提取后電極中Ni−、Co−和Mn−的信號幾乎沒(méi)有變化,而Li−消失,再次驗證了該鋰回收裝置對回收廢舊鋰電池中鋰的高效性和可行性。 

總之,本文提出了一種綠色的、可持續的從廢電池中回收鋰的新型戰略,并借助TOF-SIMS等分析技術(shù)對鋰的回收性能進(jìn)行了充分驗證。

ULVAC-PHI作為全球技術(shù)先進(jìn)的表面分析儀器廠(chǎng)商,一直致力于開(kāi)發(fā)先進(jìn)的儀器設備,力圖幫助用戶(hù)解決科研和生產(chǎn)中的相關(guān)難題,共同推動(dòng)表面分析技術(shù)的發(fā)展。 

參考文獻

[1] Xu J. et al. A green and sustainable strategy toward lithium resources recycling from spent batteries. Sci. Adv. 8, eabq7948 (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq7948.

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