DOI：10.1021/acsnano.5c09434

全文概述

本文提出了一種創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秒內將廢舊LiFePO?快速分解為高純度的Fe?P和Li?PO?，并通過簡單磁選實現高效分離，鋰和鐵的回收率分別高達97.39% 和99.17%。回收的Fe?P進一步用于催化廢PET塑料醇解，實現塑料高值轉化，展現了“電池回收+塑料升級”的協同資源化路徑。

本文亮點

（1）超快回收：焦耳熱沖擊法在20秒內完成反應，極大提升回收效率；

（2）綠色溶劑：低共熔溶劑（DES）包覆正極，增強反應接觸，抑制鋰揮發；

（3）高效分離：利用Fe?P的強磁性，實現Li?PO?與Fe?P的快速磁選分離；

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

（5）經濟可行：工藝成本低，每公斤廢舊電池可獲利約81.84美元，具備產業化潛力。

圖文解析

圖1：材料表征與CTS過程示意圖

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，結果顯示DES成功包覆在S-LFP表面；圖（b）共聚焦顯微鏡結果顯示DES微觀上均勻包覆；圖（d-e）為CTS反應裝置示意圖與照片；圖（f-g）是電流控制下的溫度演化曲線，結果顯示系統可在4秒內升溫至2100°C。

圖2：XRD分析反應過程

圖（a）為原始S-LFP的XRD圖譜，結果呈現了原始的S-LFP的標準衍射峰，確認了原料為純相LiFePO?；圖（b-c）是單獨CTS處理與DES輔助CTS處理后的產物對比，結果顯示無DES輔助時，LFP因優異的熱穩定性難以分解，而DES輔助CTS實現了S-LFP完全轉化為Fe?P與Li?PO?，且產物純度高；圖（d-e）不同時間與電流下的XRD圖，確定最優條件為180A、20秒。

圖3：產物結構與分離表征

圖（a）為CTS產物SEM圖，顯示Fe?P與Li?PO?顆粒分布均勻，無明顯團聚；

圖（b）磁分離示意圖顯示，利用Fe?P的鐵磁性，通過外加磁場實現黑色Fe?P與灰白色 Li?PO?分離的過程；圖（c-d）是磁分離后產物XRD圖譜，結果顯示分離后產物純度高，無雜質峰；圖（e-l）是HRTEM圖，與SAED表征進一步驗證晶體結構；圖（m-n）TEM元素分布圖顯示，Fe與P在Fe?P中均勻分布，Li?PO?僅檢測到 Li、P、O，無Fe信號，直觀證明了Fe?P與Li?PO?的完全分離；圖（o）XPS結果證實兩種產物徹底分離；圖（p）Fe?P的磁滯回線顯示其具有典型的鐵磁性，而 Li?PO?幾乎無磁性，從磁性能角度解釋了磁分離的可行性。

圖4：反應機理與經濟性分析

圖（a）S-LFP /尿素CTS產物XRD 圖顯示，仍存在大量S-LFP衍射峰，僅出現少量Fe?P峰，證明單獨使用尿素雖能部分還原S-LFP，但無法實現完全分解，對比DES輔助ChCl促進反應物接觸、助力反應完全的作用。圖（b-f）XPS分析了Fe、P、Li的價態變化，揭示還原機制；圖（g）為DES輔助CTS反應路徑示意圖，直觀呈現了“包覆-還原-抑制揮發”的協同機理；圖（h）經濟性分析顯示每公斤電池回收利潤達81.84美元。

圖5：Fe?P催化PET醇解性能

圖（a）Fe?P的XPS分析結果顯示，Fe?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O?的吸附與活化；圖（b-g）NMR與GC-MS結果證實，Fe?P催化下PET轉化率達98.59%，DMT產率98.05%，純度99.5%，顯著優于多數已報道催化劑；圖（h）循環后Fe?P的XRD圖結果顯示，循環3次后Fe?P的XRD圖譜與新鮮Fe?P完全一致，無新峰出現，證明其晶體結構在催化循環中保持穩定，無明顯團聚或相變，解釋了其優異的循環穩定性；圖（i）催化機理示意圖顯，O?在Fe?P表面活化形成O?*，進而激活甲醇生成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，展示了催化反應的分子機制。

總結與展望

本研究開發了一種DES輔助碳熱沖擊法，實現了廢舊LiFePO?的秒級高效回收與高值轉化。該工藝不僅解決了傳統回收中能耗高、鋰損失大的難題，還通過回收產物Fe?P實現了廢塑料的催化升級，構建了“電池-催化劑-塑料”的閉環資源循環體系。未來，該方法有望通過模塊化、連續化生產系統實現規模化應用，為推動鋰電回收與塑料污染治理提供了一條綠色、經濟、可持續的新路徑。

通訊作者簡介

楊舜，副教授，工學博士，江蘇師范大學化學與材料科學學院碩士生導師。近年來主持國家自然科學青年基金項目，江蘇省自然科學基金青年基金等科研項目多項，以通訊或第一作者在Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Small和Nanoscale等國內外學術期刊上發表SCI論文數篇，擔任Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano、Advanced Functional Materials、ACS Applied Materials & Interfaces、Chemical Engineering Journal等國際刊物的審稿人

王媛，墨爾本大學化學工程系高級講師，澳大利亞研究理事會DECRA研究員，并擔任澳大利亞科學院（AAS）國家化學委員會（NCC）委員，可再生資源與可持續發展小組（R2S）負責人。于2018年在新南威爾士大學化學工程學院完成博士學位，隨后在新南威爾士大學化學學院（2019年）和皇家墨爾本理工大學理學院（2021年）擔任博士后研究員。獲得多項著名獎學金，包括迪肯大學前沿材料研究所（IFM）的阿爾弗雷德-迪肯研究獎學金（2022年）、新加坡國立大學 DCCEEW&AHRN國際氫研究獎學金（2023年）和日本JSPS博士后獎學金（2020年）。曾在德國-DAAD研究基金資助下，在馬克斯-普朗克學會弗里茨-哈伯研究所（柏林，FHI）做訪問學者（2018年）。她曾獲得多個獎項，包ED-RACI-Metrohm ANZ青年電化學家獎（2021年）、國際電化學學會獎（ISE）（2019年）和新南威爾士大學院長獎（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，感謝老師支持與認可！

焦耳加熱裝置

焦耳加熱裝置是一種新型快速熱處理/合成的設備，該設備可使材料在極短（毫秒級/秒級）時間內達到極高的溫度（1000~3000℃），升溫速率最快可達到10000k/s；通過對材料的極速升溫，可考察材料在極端環境、劇烈熱震情況下的物性改變，可通過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、生物質等領域。