摘要：然而，电池也有寿命，通常在使用5到8年后，性能就会大幅下降。随着电动汽车的普及，未来几年将有大量废旧电池面临“退休”。

锂离子电池（LIBs）是我们日常生活中不可或缺的能量来源，从手机到电动汽车，几乎无处不在。

然而，电池也有寿命，通常在使用5到8年后，性能就会大幅下降。随着电动汽车的普及，未来几年将有大量废旧电池面临“退休”。

但根据美国化学协会（CAS）发布的统计报告，全球只有5%的电池被回收利用，导致每年的锂电池废弃总量达到了800万吨。

如果不妥善处理，这些废旧电池不仅会浪费宝贵的金属资源（如锂、钴等），其残留电荷的释放、有毒电解质的泄漏以及有害金属的污染还可能对环境造成不可逆的损害。

于是，如何环保、可持续地处理废弃锂电池，就成了科研人员们需要攻克地新方向。而废弃锂电池的正极因含有高价值的金属元素，尤其成为了回收研究的重点。

最近，中南大学材料科学与工程学院的研究人员开发出了一种神奇的“重生术”——高温熔盐再生法，不仅环境友好，还成功让废旧电池正极材料“焕发新生”。

该研究成果发布在《先进粉末材料》（Advanced Powder Material）杂志上。

传统的电池正极材料回收方法主要有两种：火法冶金和湿法冶金。

火法冶金需要高温处理，能耗高且会产生大量二氧化碳和粉尘；湿法冶金则使用化学溶剂，工艺复杂且会产生有害废物。

显然，这些方法都不够环保，也无法最大化回收电池的价值。

于是，研究人员将目光锁定在了“共晶熔融盐”这种可直接修复电池正极本体结构的“魔法药水”上。

图：装有熔融FLiBe盐的玻璃仪器 来源：Oak Ridge National Laboratory

共晶熔融盐是指在高于共晶温度时熔化的盐混合体系，是一种由带正电和负电的离子组成的化学物质。

导致正极材料衰减的最主要原因有两点：

一是本身存在于正极材料中的锂随着电池的循环，不能完全回到正极，导致电池容量降低；

二是与电解液接触的材料表面更易发生相变，由原始的层状结构转变为尖晶石相和岩盐相，导致锂离子传导率降低以及容量衰减。

而“共晶熔盐法”就是从这两个主要原因入手，采用含有锂离子的共晶熔融盐（比如氢氧化锂）作为锂源，为三元电池正极补锂，再经过烧结达到理想的相结构。

然而，低温环境并不能保证最佳的回收性能，特别是对于严重降解的废旧锂离子电池。

该研究通讯作者陈根博士强调，共晶熔盐法尽管有其优点，但未能完全解决诸如大量活性锂损失、杂质相以及共晶点温度下晶粒裂纹等结构缺陷等问题。

在共晶点温度下进行再生反应不足以完全修复缺陷。因此，陈博士表示，迫切需要进一步优化共晶熔盐系统，以增强其适用性。

在研究中，陈博士和他的团队提出了一种全新的回收方法——高温熔盐再生法，利用高温条件，使正极材料深度再生并重结晶。

图：正极材料降解和再生示意图 来源：Chen, G., et al.

这种方法的核心是使用一种由氯化钾（KCl）、氢氧化锂（LiOH）和碳酸锂（Li₂CO₃）组成的熔盐混合物。在高温（900°C）下，这种熔盐能够彻底修复废旧电池正极材料的结构缺陷，恢复其电化学性能。

高温环境提供了足够的能量，驱动正极材料中的原子重新排列，修复裂纹和其他结构缺陷。而且，在高温熔盐中，锂离子能够快速补充到正极材料中，恢复其原有的锂含量。

通过加入高熔点氯化钾（KCl），研究团队还改善了离子交换和物质传输，促进了正极材料晶粒的二次生长，使其形成更加稳定的单晶结构。

在具体的实验过程中，研究人员首先对电池进行拆解与预处理工作。

他们将废旧电池拆解，取出正极材料，并通过机械粉碎和化学处理去除杂质，得到废弃正极粉末（S-NCM）。

下一步就是进行熔盐共晶再生。研究人员将废旧正极粉末与熔盐混合物一起加热到900°C，经过数小时的反应，废旧正极材料就逐渐恢复成了其原有的层状结构。

反应结束后，通过水洗去除残留的熔盐并进行干燥，最终得到再生的三元正极材料（R-NCM）。

“因此，再生三元正极（R-NCM）可长成稳定的单晶粒，严重退化的晶体结构中的缺陷得到完全修复。”陈博士说。

图：废弃正极材料（S-NCM）、不含KCl的熔融盐制备出的正极材料（r-NCM）、商用正极材料（C-NCM）和再生正极材料（R-NCM）的结构对比

经过深度再生和重结晶后，严重退化的S-NCM可以恢复层状结构，表面氧空位和O-TM含量可以显著降低。

这项技术最大的亮点在于，“重生”后的电池性能更胜从前。

经过高温熔盐再生，废旧正极材料不仅恢复了原有的结构，还表现出更强的稳定性和更长的寿命。

实验表明，容量损失率为21.3%的废旧NCM（记为S-NCM）成功恢复到初始容量156.7 mAh g- 1。

而且，再生后的正极材料在1C倍率下循环200次后，容量保持率高达81.2%，甚至优于一些全新的商用正极材料（C-NCM）。

图：多次循环后商用正极材料（C-NCM）和再生正极材料（R-NCM）的库伦效率对比

此外，再生后的正极材料还表现出更低的副反应和更少的气体释放，这意味着电池在使用过程中更加安全可靠。

高温熔盐再生法不仅为废旧电池的回收提供了一种高效、环保的解决方案，还为电池行业的可持续发展开辟了新的道路。

研究团队称，该方法可以很容易地扩展到具有不同过渡金属比率的三元正极的直接回收，具有很高的适用性和兼容性。

未来，随着这项技术的进一步优化和推广，我们有望看到更多废旧电池经过高温熔盐的“魔法”处理，又能焕发新生。

首图来源：Getty Image

撰文 | 环球零碳研究中心 Bell

参考资料：

[1]https://interestingengineering.com/energy/molten-salts-regenerate-lithium-battery

[2]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772834X25000028?via=ihub

[3]https://www.eurekalert.org/news-releases/1076665

[4]https://www.cas.org/resources/cas-insights/lithium-ion-battery-recycling

来源：新能源前沿