应用成果

DOI：10.1021/acsnano.5c09434

全文概述

本文提出了一种创新的低共熔溶剂辅助碳热冲击法，用于高效回收废旧磷酸铁锂正极材料。该方法在20秒内将废旧LiFePO₄快速分解为高纯度的Fe₂P和Li₃PO₄，并通过简单磁选实现高效分离，锂和铁的回收率分别高达97.39% 和99.17%。回收的Fe₂P进一步用于催化废PET塑料醇解，实现塑料高值转化，展现了“电池回收+塑料升级”的协同资源化路径。

本文亮点

（1）超快回收：焦耳热冲击法在20秒内完成反应，极大提升回收效率；

（2）绿色溶剂：低共熔溶剂（DES）包覆正极，增强反应接触，抑制锂挥发；

（3）高效分离：利用Fe₂P的强磁性，实现Li₃PO₄与Fe₂P的快速磁选分离；

（4）高值转化：回收的Fe₂P作为高效催化剂，催化PET醇解为DMT单体，转化率超98%；

（5）经济可行：工艺成本低，每公斤废旧电池可获利约81.84美元，具备产业化潜力。

图文解析

图1：材料表征与CTS过程示意图

图（a）为原始退役LiFePO₄（S-LFP）的拉曼光谱，图（c）为DES包覆后S-LFP 的拉曼光谱Raman光谱，结果显示DES成功包覆在S-LFP表面；图（b）共聚焦显微镜结果显示DES微观上均匀包覆；图（d-e）为CTS反应装置示意图与照片；图（f-g）是电流控制下的温度演化曲线，结果显示系统可在4秒内升温至2100°C。

图2：XRD分析反应过程

图（a）为原始S-LFP的XRD图谱，结果呈现了原始的S-LFP的标准衍射峰，确认了原料为纯相LiFePO₄；图（b-c）是单独CTS处理与DES辅助CTS处理后的产物对比，结果显示无DES辅助时，LFP因优异的热稳定性难以分解，而DES辅助CTS实现了S-LFP完全转化为Fe₂P与Li₃PO₄，且产物纯度高；图（d-e）不同时间与电流下的XRD图，确定最优条件为180A、20秒。

图3：产物结构与分离表征

图（a）为CTS产物SEM图，显示Fe₂P与Li₃PO₄颗粒分布均匀，无明显团聚；

图（b）磁分离示意图显示，利用Fe₂P的铁磁性，通过外加磁场实现黑色Fe₂P与灰白色 Li₃PO₄分离的过程；图（c-d）是磁分离后产物XRD图谱，结果显示分离后产物纯度高，无杂质峰；图（e-l）是HRTEM图，与SAED表征进一步验证晶体结构；图（m-n）TEM元素分布图显示，Fe与P在Fe₂P中均匀分布，Li₃PO₄仅检测到 Li、P、O，无Fe信号，直观证明了Fe₂P与Li₃PO₄的完全分离；图（o）XPS结果证实两种产物彻底分离；图（p）Fe₂P的磁滞回线显示其具有典型的铁磁性，而 Li₃PO₄几乎无磁性，从磁性能角度解释了磁分离的可行性。

图4：反应机理与经济性分析

图（a）S-LFP /尿素CTS产物XRD 图显示，仍存在大量S-LFP衍射峰，仅出现少量Fe₂P峰，证明单独使用尿素虽能部分还原S-LFP，但无法实现完全分解，对比DES辅助ChCl促进反应物接触、助力反应完全的作用。图（b-f）XPS分析了Fe、P、Li的价态变化，揭示还原机制；图（g）为DES辅助CTS反应路径示意图，直观呈现了“包覆-还原-抑制挥发”的协同机理；图（h）经济性分析显示每公斤电池回收利润达81.84美元。

图5：Fe₂P催化PET醇解性能

图（a）Fe₂P的XPS分析结果显示，Fe₂P表面存在晶格氧（Fe-O）和吸附氧，这源于P原子的给电子特性，可提升Fe-3d轨道能量水平，增强O₂的吸附与活化；图（b-g）NMR与GC-MS结果证实，Fe₂P催化下PET转化率达98.59%，DMT产率98.05%，纯度99.5%，显著优于多数已报道催化剂；图（h）循环后Fe₂P的XRD图结果显示，循环3次后Fe₂P的XRD图谱与新鲜Fe₂P完全一致，无新峰出现，证明其晶体结构在催化循环中保持稳定，无明显团聚或相变，解释了其优异的循环稳定性；图（i）催化机理示意图显，O₂在Fe₂P表面活化形成O₂*，进而激活甲醇生成CH₃OH和OOH中间体，中间体攻击PET的C-O键，逐步解聚为低聚物、二聚体，最终生成DMT和EG，展示了催化反应的分子机制。

总结与展望

本研究开发了一种DES辅助碳热冲击法，实现了废旧LiFePO₃的秒级高效回收与高值转化。该工艺不仅解决了传统回收中能耗高、锂损失大的难题，还通过回收产物Fe₂P实现了废塑料的催化升级，构建了“电池-催化剂-塑料”的闭环资源循环体系。未来，该方法有望通过模块化、连续化生产系统实现规模化应用，为推动锂电回收与塑料污染治理提供了一条绿色、经济、可持续的新路径。

通讯作者简介

杨舜，副教授，工学博士，江苏师范大学化学与材料科学学院硕士生导师。近年来主持国家自然科学青年基金项目，江苏省自然科学基金青年基金等科研项目多项，以通讯或第一作者在Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Small和Nanoscale等国内外学术期刊上发表SCI论文数篇，担任Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano、Advanced Functional Materials、ACS Applied Materials & Interfaces、Chemical Engineering Journal等国际刊物的审稿人

王媛，墨尔本大学化学工程系高级讲师，澳大利亚研究理事会DECRA研究员，并担任澳大利亚科学院（AAS）国家化学委员会（NCC）委员，可再生资源与可持续发展小组（R2S）负责人。于2018年在新南威尔士大学化学工程学院完成博士学位，随后在新南威尔士大学化学学院（2019年）和皇家墨尔本理工大学理学院（2021年）担任博士后研究员。获得多项著名奖学金，包括迪肯大学前沿材料研究所（IFM）的阿尔弗雷德-迪肯研究奖学金（2022年）、新加坡国立大学 DCCEEW&AHRN国际氢研究奖学金（2023年）和日本JSPS博士后奖学金（2020年）。曾在德国-DAAD研究基金资助下，在马克斯-普朗克学会弗里茨-哈伯研究所（柏林，FHI）做访问学者（2018年）。她曾获得多个奖项，包ED-RACI-Metrohm ANZ青年电化学家奖（2021年）、国际电化学学会奖（ISE）（2019年）和新南威尔士大学院长奖（2019年）。

本文使用的焦耳加热装置由合肥原位科技有限公司研发，感谢老师支持与认可！

焦耳加热装置

焦耳加热装置是一种新型快速热处理/合成的设备，该设备可使材料在极短（毫秒级/秒级）时间内达到极高的温度（1000~3000℃），升温速率最快可达到10000k/s；通过对材料的极速升温，可考察材料在极端环境、剧烈热震情况下的物性改变，可通过极速升降温制备纳米尺度颗粒，单原子催化剂，高熵合金等。目前广泛应用在电池材料、催化剂、碳材料、陶瓷材料、金属材料、塑料降解、生物质等领域。