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

隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車銷量高速增長(zhǎng)，動(dòng)力電池裝機(jī)量也隨之迅速攀升。鑒于新能源汽車動(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(nèi)將迎來(lái)大規(guī)模退役潮，因此動(dòng)力電池的回收已成為全國(guó)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(xué)萃取等。然而，根據(jù)全球環(huán)境規(guī)劃署（United Nations Environment Programme）的報(bào)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(lái)，鄭州大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院電網(wǎng)儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)，在廢舊電池鋰資源回收的研究上取得了新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)筑“富鋰電極（負(fù)極）|| LLZTO@LiTFSI+P3HT || LiOH（正極）” 的新型電化學(xué)提鋰系統(tǒng)，提出了一種綠色、低能耗、高效率（回收率高達(dá)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，直觀地證明了對(duì)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(guó)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(tǒng)的示意圖。

鋰提取過(guò)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(lái)制作固體電解質(zhì)管，通過(guò)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(rèn)Li的回收情況，對(duì)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(hào)幾乎消失，F(xiàn)ePO₄ ^–信號(hào)保持不變。該結(jié)果直觀地證明了通過(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(tǒng)的普適性，進(jìn)一步評(píng)估了對(duì)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(hào)幾乎沒有變化，而Li^−消失，再次驗(yàn)證了該鋰回收裝置對(duì)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(duì)鋰的回收性能進(jìn)行了充分驗(yàn)證。

ULVAC-PHI作為全球技術(shù)先進(jìn)的表面分析儀器廠商，一直致力于開發(fā)先進(jìn)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(dòng)表面分析技術(shù)的發(fā)展。 

參考文獻(xiàn)

[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.