近日，昆明理工大学锂离子电池及材料制备技术国家地方联合工程研究中心团队在无钴锰基高电压正极材料的高值回收和可控制备研究方面取得重要进展，相关成果以“Full Component Utilization: Targeted Separation of Mn/Li From Spent LiMn2O4 for Reconstructing High-Performance Single-Crystal Cathode Materials”为题发表在冶金材料领域国际权威期刊《Advanced Functional Materials》上。昆明理工大学冶金与能源工程学院博士研究生张宝为论文的第一作者，张雁南特聘教授、董鹏教授和张英杰教授为论文的共同通讯作者。昆明理工大学为该工作的第一完成单位及通讯单位。

随着锂离子电池在可再生能源存储和交通电动化领域的广泛应用，大量退役电池的产生带来了严峻的安全隐患与环境问题。与此同时，废旧电池中的高价值金属的含量甚至高于天然矿石，是极具开发价值的“城市矿山”。然而，受技术与经济因素制约，目前仅有少部分电池得到有效回收。传统火法冶金和湿法冶金回收工艺存在能耗高、酸碱消耗大、废液处理负担重等问题，且碱性溶液的使用还会引入钠离子等外来杂质，存在污染锂源的风险。因此，开发绿色、可持续的废旧电池回收再生技术，对构建自给自足的电池材料循环生产模式具有重要意义。

废旧锰酸锂向高性能单晶正极升级再生的结构表征与机理分析：(a) 废旧尖晶石S-LMO向R-LMO材料升级再生的示意图。(b-c) LMO和R-LMO的Rietveld精修XRD图谱。(d) LMO和(e) R-LMO的Mn 2p XPS谱。(f) Mn³⁺/Mn⁴⁺比例定量分析。(g) LMO、R-LMO和C-LMO的EPR谱。(h) Mn K边HXAS谱。(i) Mn的EXAFS R空间曲线。(j-k) LMO和R-LMO的扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）小波变换（WT）图。(l) R-LMO的SEM mapping。(m) R-LMO的HRTEM图。

针对上述难题，该研究提出了一种基于定向分离锰、锂的全组分利用策略，实现废旧锰酸锂（LiMn₂O₄）正极材料中所有金属组分的高值化利用。研究团队以回收的硫酸锂作为自生熔盐介质，基于Ostwald熟化原理，通过熔盐法将废旧锰酸锂再生为高性能单晶正极材料（R-LMO）。该工艺可将废旧锰酸锂转化为MnO₂、MnCO₃和Li₂SO₄，并在温和热处理条件下驱动前驱体演化为单晶颗粒，实现近100%的锰、锂回收利用。研究表明，再生单晶锰酸锂正极有效缓解了晶格应变，抑制了Jahn-Teller效应驱动的不可逆相变，增强了结构完整性。X射线吸收精细结构谱和原位XRD结果表明，再生尖晶石正极具有优异的晶体结构稳定性；循环后表面化学性质表征和理论计算表明，R-LMO有效降低了Li⁺扩散势垒，展现出优异的倍率性能。电化学测试结果显示，与商业化锰酸锂相比，R-LMO在常温和高温（55℃）条件下均表现出更优异的电化学性能。生命周期评估和技术经济分析表明，该回收工艺在环境和经济两方面均具有显著优势，工艺运行过程中不产生废液，避免了后续废液处理环节，并可避免引入外来离子污染最终产品，构建了锰基正极闭环可持续回收再生体系。该研究为废旧正极材料的全组分分离提供了新思路，为可持续、无钴锰基正极材料的可控制备提供了借鉴。

该工作得到了国家自然科学基金、云南省基础研究重点项目和云南省“兴滇英才计划”等项目资助。

文章链接： https://doi.org/10.1002/adfm.78358

(供稿：冶金与能源工程学院)