DOI：10.1021/acsnano.5c09434

全文概述

本文提出了一種創(chuàng)新的低共熔溶劑輔助碳熱沖擊法，用于高效回收廢舊磷酸鐵鋰正極材料。該方法在20秒內(nèi)將廢舊LiFePO?快速分解為高純度的Fe?P和Li?PO?，并通過(guò)簡(jiǎn)單磁選實(shí)現(xiàn)高效分離，鋰和鐵的回收率分別高達(dá)97.39% 和99.17%。回收的Fe?P進(jìn)一步用于催化廢PET塑料醇解，實(shí)現(xiàn)塑料高值轉(zhuǎn)化，展現(xiàn)了“電池回收+塑料升級(jí)”的協(xié)同資源化路徑。

本文亮點(diǎn)

（1）超快回收：焦耳熱沖擊法在20秒內(nèi)完成反應(yīng)，極大提升回收效率；

（2）綠色溶劑：低共熔溶劑（DES）包覆正極，增強(qiáng)反應(yīng)接觸，抑制鋰揮發(fā)；

（3）高效分離：利用Fe?P的強(qiáng)磁性，實(shí)現(xiàn)Li?PO?與Fe?P的快速磁選分離；

（4）高值轉(zhuǎn)化：回收的Fe?P作為高效催化劑，催化PET醇解為DMT單體，轉(zhuǎn)化率超98%；

（5）經(jīng)濟(jì)可行：工藝成本低，每公斤廢舊電池可獲利約81.84美元，具備產(chǎn)業(yè)化潛力。

圖文解析

圖1：材料表征與CTS過(guò)程示意圖

圖（a）為原始退役LiFePO?（S-LFP）的拉曼光譜，圖（c）為DES包覆后S-LFP 的拉曼光譜Raman光譜，結(jié)果顯示DES成功包覆在S-LFP表面；圖（b）共聚焦顯微鏡結(jié)果顯示DES微觀上均勻包覆；圖（d-e）為CTS反應(yīng)裝置示意圖與照片；圖（f-g）是電流控制下的溫度演化曲線，結(jié)果顯示系統(tǒng)可在4秒內(nèi)升溫至2100°C。

圖2：XRD分析反應(yīng)過(guò)程

圖（a）為原始S-LFP的XRD圖譜，結(jié)果呈現(xiàn)了原始的S-LFP的標(biāo)準(zhǔn)衍射峰，確認(rèn)了原料為純相LiFePO?；圖（b-c）是單獨(dú)CTS處理與DES輔助CTS處理后的產(chǎn)物對(duì)比，結(jié)果顯示無(wú)DES輔助時(shí)，LFP因優(yōu)異的熱穩(wěn)定性難以分解，而DES輔助CTS實(shí)現(xiàn)了S-LFP完全轉(zhuǎn)化為Fe?P與Li?PO?，且產(chǎn)物純度高；圖（d-e）不同時(shí)間與電流下的XRD圖，確定最優(yōu)條件為180A、20秒。

圖3：產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與分離表征

圖（a）為CTS產(chǎn)物SEM圖，顯示Fe?P與Li?PO?顆粒分布均勻，無(wú)明顯團(tuán)聚；

圖（b）磁分離示意圖顯示，利用Fe?P的鐵磁性，通過(guò)外加磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)黑色Fe?P與灰白色 Li?PO?分離的過(guò)程；圖（c-d）是磁分離后產(chǎn)物XRD圖譜，結(jié)果顯示分離后產(chǎn)物純度高，無(wú)雜質(zhì)峰；圖（e-l）是HRTEM圖，與SAED表征進(jìn)一步驗(yàn)證晶體結(jié)構(gòu)；圖（m-n）TEM元素分布圖顯示，F(xiàn)e與P在Fe?P中均勻分布，Li?PO?僅檢測(cè)到 Li、P、O，無(wú)Fe信號(hào)，直觀證明了Fe?P與Li?PO?的完全分離；圖（o）XPS結(jié)果證實(shí)兩種產(chǎn)物徹底分離；圖（p）Fe?P的磁滯回線顯示其具有典型的鐵磁性，而 Li?PO?幾乎無(wú)磁性，從磁性能角度解釋了磁分離的可行性。

圖4：反應(yīng)機(jī)理與經(jīng)濟(jì)性分析

圖（a）S-LFP /尿素CTS產(chǎn)物XRD 圖顯示，仍存在大量S-LFP衍射峰，僅出現(xiàn)少量Fe?P峰，證明單獨(dú)使用尿素雖能部分還原S-LFP，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全分解，對(duì)比DES輔助ChCl促進(jìn)反應(yīng)物接觸、助力反應(yīng)完全的作用。圖（b-f）XPS分析了Fe、P、Li的價(jià)態(tài)變化，揭示還原機(jī)制；圖（g）為DES輔助CTS反應(yīng)路徑示意圖，直觀呈現(xiàn)了“包覆-還原-抑制揮發(fā)”的協(xié)同機(jī)理；圖（h）經(jīng)濟(jì)性分析顯示每公斤電池回收利潤(rùn)達(dá)81.84美元。

圖5：Fe?P催化PET醇解性能

圖（a）Fe?P的XPS分析結(jié)果顯示，F(xiàn)e?P表面存在晶格氧（Fe-O）和吸附氧，這源于P原子的給電子特性，可提升Fe-3d軌道能量水平，增強(qiáng)O?的吸附與活化；圖（b-g）NMR與GC-MS結(jié)果證實(shí)，F(xiàn)e?P催化下PET轉(zhuǎn)化率達(dá)98.59%，DMT產(chǎn)率98.05%，純度99.5%，顯著優(yōu)于多數(shù)已報(bào)道催化劑；圖（h）循環(huán)后Fe?P的XRD圖結(jié)果顯示，循環(huán)3次后Fe?P的XRD圖譜與新鮮Fe?P完全一致，無(wú)新峰出現(xiàn)，證明其晶體結(jié)構(gòu)在催化循環(huán)中保持穩(wěn)定，無(wú)明顯團(tuán)聚或相變，解釋了其優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性；圖（i）催化機(jī)理示意圖顯，O?在Fe?P表面活化形成O?*，進(jìn)而激活甲醇生成CH?OH和OOH中間體，中間體攻擊PET的C-O鍵，逐步解聚為低聚物、二聚體，最終生成DMT和EG，展示了催化反應(yīng)的分子機(jī)制。

總結(jié)與展望

本研究開(kāi)發(fā)了一種DES輔助碳熱沖擊法，實(shí)現(xiàn)了廢舊LiFePO?的秒級(jí)高效回收與高值轉(zhuǎn)化。該工藝不僅解決了傳統(tǒng)回收中能耗高、鋰損失大的難題，還通過(guò)回收產(chǎn)物Fe?P實(shí)現(xiàn)了廢塑料的催化升級(jí)，構(gòu)建了“電池-催化劑-塑料”的閉環(huán)資源循環(huán)體系。未來(lái)，該方法有望通過(guò)模塊化、連續(xù)化生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，為推動(dòng)鋰電回收與塑料污染治理提供了一條綠色、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的新路徑。

通訊作者簡(jiǎn)介

楊舜，副教授，工學(xué)博士，江蘇師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院碩士生導(dǎo)師。近年來(lái)主持國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目，江蘇省自然科學(xué)基金青年基金等科研項(xiàng)目多項(xiàng)，以通訊或第一作者在Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Small和Nanoscale等國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文數(shù)篇，擔(dān)任Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano、Advanced Functional Materials、ACS Applied Materials & Interfaces、Chemical Engineering Journal等國(guó)際刊物的審稿人

王媛，墨爾本大學(xué)化學(xué)工程系高級(jí)講師，澳大利亞研究理事會(huì)DECRA研究員，并擔(dān)任澳大利亞科學(xué)院（AAS）國(guó)家化學(xué)委員會(huì)（NCC）委員，可再生資源與可持續(xù)發(fā)展小組（R2S）負(fù)責(zé)人。于2018年在新南威爾士大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院完成博士學(xué)位，隨后在新南威爾士大學(xué)化學(xué)學(xué)院（2019年）和皇家墨爾本理工大學(xué)理學(xué)院（2021年）擔(dān)任博士后研究員。獲得多項(xiàng)著名獎(jiǎng)學(xué)金，包括迪肯大學(xué)前沿材料研究所（IFM）的阿爾弗雷德-迪肯研究獎(jiǎng)學(xué)金（2022年）、新加坡國(guó)立大學(xué) DCCEEW&AHRN國(guó)際氫研究獎(jiǎng)學(xué)金（2023年）和日本JSPS博士后獎(jiǎng)學(xué)金（2020年）。曾在德國(guó)-DAAD研究基金資助下，在馬克斯-普朗克學(xué)會(huì)弗里茨-哈伯研究所（柏林，F(xiàn)HI）做訪問(wèn)學(xué)者（2018年）。她曾獲得多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，包ED-RACI-Metrohm ANZ青年電化學(xué)家獎(jiǎng)（2021年）、國(guó)際電化學(xué)學(xué)會(huì)獎(jiǎng)（ISE）（2019年）和新南威爾士大學(xué)院長(zhǎng)獎(jiǎng)（2019年）。

本文使用的焦耳加熱裝置由合肥原位科技有限公司研發(fā)，感謝老師支持與認(rèn)可！

焦耳加熱裝置

焦耳加熱裝置是一種新型快速熱處理/合成的設(shè)備，該設(shè)備可使材料在極短（毫秒級(jí)/秒級(jí)）時(shí)間內(nèi)達(dá)到極高的溫度（1000~3000℃），升溫速率最快可達(dá)到10000k/s；通過(guò)對(duì)材料的極速升溫，可考察材料在極端環(huán)境、劇烈熱震情況下的物性改變，可通過(guò)極速升降溫制備納米尺度顆粒，單原子催化劑，高熵合金等。目前廣泛應(yīng)用在電池材料、催化劑、碳材料、陶瓷材料、金屬材料、塑料降解、生物質(zhì)等領(lǐng)域。