应用分享 | PHI TOF-SIMS助力锂电的绿色可持续发展战略

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

随着国内新能源汽车销量高速增长，动力电池装机量也随之迅速攀升。鉴于新能源汽车动力电池的平均使用寿命约为6~8年，动力电池在未来2-3年内将迎来大规模退役潮，因此动力电池的回收已成为全国甚至全球相关产业可持续发展的关键。锂的回收需要考虑诸多问题，如回收效率、回收成本、环境污染以及方法的可行性等。传统的废锂回收方法主要有火法冶金、湿法冶金、生物冶金和电化学萃取等。然而，根据全球环境规划署（United Nations Environment Programme）的报告，欧盟的废LIB回收率不5%，这意味着废锂的回收仍然面临着极大的挑战。

近来，郑州大学电气与信息工程学院电网储能团队，在废旧电池锂资源回收的研究上取得了新进展。该团队通过构筑“富锂电极（负极）|| LLZTO@LiTFSI+P3HT || LiOH（正极）” 的新型电化学提锂系统，提出了一种绿色、低能耗、高效率（回收率高达97%）的锂回收策略，在获得高纯度(99%)LiOH的同时还能生成绿色能源H₂。此外，利用ULVAC-PHI的飞行时间二次离子质谱（PHI nanoTOF II），借助高分辨的2D + 3D图，直观地证明了对锂的成功回收。相关研究以“A Green and Sustainable Strategy towards Lithium Resources Recycling from Spent Batteries”为题，发表在国际有名期刊《Science Advances》上。

图1 废旧锂电池绿色无害锂资源回收系统的示意图。

锂提取过程的总体反应和工作原理如图1所示。该装置以石榴石型Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂ (LLZTO)陶瓷来制作固体电解质管，通过对系统充电，让水发生水解形成OH ^-和H⁺离子，其中OH^−离子与提取的Li⁺反应生成LiOH，而H⁺离子则从外部电路获得电子，产生H₂，从而实现对Li的绿色、可持续回收。

图2 LiFePO₄电极(a)、LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂ 电极(b-c)提取锂后的TOF-SIMS表征

为了确认Li的回收情况，对Li回收前后的电极进行了TOF-SIMS分析。如图2a所示，经过锂提取后的LFP（LiFePO₄）电极，Li^−的信号几乎消失，FePO₄ ^–信号保持不变。该结果直观地证明了通过锂回收装置，成功地从LFP电极中提取了锂。此外，为了研究锂回收系统的普适性，进一步评估了对废旧LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂电池的锂回收性能，结果见图2b和2c。TOF-SIMS深度剖析曲线以及3D模型均直观地显示组分中各离子的深度分布情况，结果表明锂提取后电极中Ni^−、Co^−和Mn^−的信号几乎没有变化，而Li^−消失，再次验证了该锂回收装置对回收废旧锂电池中锂的高效性和可行性。 

总之，本文提出了一种绿色的、可持续的从废电池中回收锂的新型战略，并借助TOF-SIMS等分析技术对锂的回收性能进行了充分验证。

ULVAC-PHI作为全球技术先进的表面分析仪器厂商，一直致力于开发先进的仪器设备，力图帮助用户解决科研和生产中的相关难题，共同推动表面分析技术的发展。 

参考文献

[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.