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

隨著國內(nèi)新能源汽車銷量高速增長，動力電池裝機量也隨之迅速攀升。鑒于新能源汽車動力電池的平均使用壽命約為6~8年，動力電池在未來2-3年內(nèi)將迎來大規(guī)模退役潮，因此動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(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。鋰的回收需要考慮諸多問題，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(tǒng)的廢鋰回收方法主要有火法冶金、濕法冶金、生物冶金和電化學萃取等。然而，根據(jù)全球環(huán)境規(guī)劃署（United Nations Environment Programme）的報告，歐盟的廢LIB回收率不5%，這意味著廢鋰的回收仍然面臨著極大的挑戰(zhàn)。

近來，鄭州大學電氣與信息工程學院電網(wǎng)儲能團隊，在廢舊電池鋰資源回收的研究上取得了新進展。該團隊通過構(gòu)筑“富鋰電極（負極）|| LLZTO@LiTFSI+P3HT || LiOH（正極）" 的新型電化學提鋰系統(tǒng)，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的同時還能生成綠色能源H₂。此外，利用ULVAC-PHI的飛行時間二次離子質(zhì)譜（PHI nanoTOF II），借助高分辨的2D + 3D圖，直觀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 廢舊鋰電池綠色無害鋰資源回收系統(tǒng)的示意圖。

鋰提取過程的總體反應(yīng)和工作原理如圖1所示。該裝置以石榴石型Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂ (LLZTO)陶瓷來制作固體電解質(zhì)管，通過對系統(tǒng)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(yīng)生成LiOH，而H⁺離子則從外部電路獲得電子，產(chǎn)生H₂，從而實現(xiàn)對Li的綠色、可持續(xù)回收。

圖2 LiFePO₄電極(a)、LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂ 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回收前后的電極進行了TOF-SIMS分析。如圖2a所示，經(jīng)過鋰提取后的LFP（LiFePO₄）電極，Li^−的信號幾乎消失，F(xiàn)ePO₄ ^–信號保持不變。該結(jié)果直觀地證明了通過鋰回收裝置，成功地從LFP電極中提取了鋰。此外，為了研究鋰回收系統(tǒng)的普適性，進一步評估了對廢舊LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂電池的鋰回收性能，結(jié)果見圖2b和2c。TOF-SIMS深度剖析曲線以及3D模型均直觀地顯示組分中各離子的深度分布情況，結(jié)果表明鋰提取后電極中Ni^−、Co^−和Mn^−的信號幾乎沒有變化，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(xù)的從廢電池中回收鋰的新型戰(zhàn)略，并借助TOF-SIMS等分析技術(shù)對鋰的回收性能進行了充分驗證。

ULVAC-PHI作為全球技術(shù)先進的表面分析儀器廠商，一直致力于開發(fā)先進的儀器設(shè)備，力圖幫助用戶解決科研和生產(chǎn)中的相關(guān)難題，共同推動表面分析技術(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.