变废为宝——废旧锂离子电池正极材料变身高效电解水催化剂

目前,锂离子电池由于其高能量和功率密度,已成为便携式电子产品和混合动力/全电动汽车的主流电源。近年来,电动汽车得到迅速地发展与普及,并有望在不久的将来代替燃油车,这将大大降低汽车的使用对环境造成的污染和对化石能源的依赖。然而,可以预见的是,在电池寿命结束时将不可避免地出现大量的废旧电池。废旧锂离子电池不仅含有重金属钴、镍等,还含有易燃有毒的电解液,如果得不到妥善处理,不仅对人类的健康发展有害,也会破坏自然生态环境。因此,如何将废旧电池材料回收再利用的具有重要意义。目前废旧锂离子的回收利用普遍采用的是繁琐的分离和复杂的提取技术。这些方法存在使用的有机溶剂成本昂贵、废气排放高、回收路线复杂、金属纯度不理想等明显缺点限制了其在工业上的有效应用。亟待探索废旧电池材料回收利用的新思路,让废料重新获得生机。

近日,天津大学胡文彬,陈亚楠团队提出了一种简单,高效且成本低廉的策略,将废旧电池正极材料修饰和再生成为性能优异的电催化剂应用在水电解过程中,成功实现了从废旧电池电极材料到电催化剂的功能转变。在该工作中废旧电池材料通过一步修饰,摇身一变成为了水电解反应的阳极催化剂。该催化剂的性能可与贵金属相媲美,不但能够大大降低电解水过程的电能消耗,同时也有望替代贵金属从而降低电解水技术的成本,为大规模氢气的制备提供条件。文章发表在《中国科技期刊卓越行动计划》—SCIENCE CHINA Materials 2021, DOI: 10.1007/s40843-021-1682-0上。博士生崔柏桦为本文第一作者。

该方法优势明显,相比于现有其他废旧电池回收利用方法,上述策略具有更低的材料损耗,更短的生产周期以及大规模工业化的潜力。重要的是,这一策略最大限度地有效利用电池废料,减少可能的环境污染,节约宝贵的矿产资源,还能够作为工业电解水催化剂用于氢气的制备,可谓一举两得。作为一种绿色和通用的方法,该研究为基于废旧电池材料规模化制备优良电催化剂提供了新的机遇。一方面,易于实施、产率高、可放大等特点使其具有很高的工业价值、成本优势和市场潜力。另一方面,废旧电池材料的低成本高效回收利用也将为我国节能减排以及碳中和做出贡献。

Waste to wealth: Defect-rich Ni-incorporated spent LiFePO4 for efficient oxygen evolution reaction. Baihua Cui, Chang Liu, Jinfeng Zhang, Jijun Lu, Siliang Liu, Fangshuai Chen, Wei Zhou, Guoyu Qian, Zhi Wang, Yida Deng, Yanan Chen and Wenbin Hu. SCIENCE CHINA materials. 2021, DOI: 10.1007/s40843-021-1682-0. https://doi.org/10.1007/s40843-021-1682-0

作者简介:

胡文彬,天津大学材料科学与工程学院,教授,1994年获中南大学有色金属冶金专业博士学位,同期到上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室从事博士后科研工作。1996年5月出站后留在实验室工作并晋升为副教授,1999年破格晋升为教授,曾获上海市优秀学术带头人、曙光学者,教育部新世纪优秀人才。2014年任天津大学材料学院院长、教授、博导。曾获得国家杰出青年科学基金资助,长期从事关键能源材料及表界面科学与工程研究。

先后承担了国家杰出青年基金、国家自然科学基金重点等项目30余项,获国家科技进步二等奖1项排名第一,省部级一等奖2项排名第一,是科技部及天津市重点领域创新团队负责人。在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等国际知名刊物发表论文300余篇,申请国家发明专利60余项,授权24项,出版中英文学术专著或教材4部。国际电化学能源科学院IAOEES理事会委员,中国材料研究学会青年委员会高级理事、腐蚀与防护学会常务理事,任Science China Materials、无机材料学报、中国有色金属学报等学术期刊编委。

陈亚楠,天津大学"英才计划"特聘研究员,清华大学"卓越学者",中国科协青年人才托举项目入选者。主要从事新型材料制备及其在能源中的应用,研究兴趣包括:能源存储锂/钠离子电池,能源转换电催化。现已在Nature Energy、Nature Comm.、Science Advances、JACS、PNAS、Materials Today、Adv. Mater.等高影响力期刊上发表研究论文70余篇,论文引用4000余次,5篇论文入选高被引论文。申请美国专利4项,国内专利10余项,专利转化一项转化金额240万。承担/参与基金委重大研究计划,科技部重点研发计划,重大研究计划培育项目等多项课题。担任多种国际著名学术期刊,如Chemical Review, Matter, Adv. Mater., AEM, ACS Nano等30多个学术期刊的审稿人,以及杂志Chinese Chemical Letters, Materials, Frontiers in Energy Research客座编辑,Chinese Chemical Letters, Rare Metals青年编委。中国最大的科研科技传播平台"科研云"发起人之一。

周伟,天津大学理学院,副教授,于2006年和2010年获得天津大学获得了学士和博士学位。2011年加入天津大学理学院作为助理教授,曾是日本国立材料物质研究所NIMS的客座研究员。研究方向主要聚焦于半导体材料和光催化材料的磁、光和电学性能的第一性原理,金属材料机械性能第一性原理计算,以及半导体材料薄膜的制备及其物性研究。

崔柏桦,天津大学-新加坡国立大学福州联合学院博士研究生。2019年毕业于天津大学,获理学硕士学位。主要研究方向为电催化纳米材料的设计与合成。