文章导读
你正在为废旧锂电池回收效率低、再生材料寿命短而头疼吗？业内普遍做法是修复晶格缺陷恢复容量，但西安交大团队发现一个惊人事实：即使完美修复的正极材料，循环后容量依然会快速衰减。问题根源竟隐藏在电子层面的Ni-O轨道杂化中，这种微观结构的不稳定导致了无法避免的相变失效。团队通过独特的取向位点诱导策略，成功将不稳定的π键转变为稳固的σ键，让再生正极在750次循环后仍保持60%容量。这个突破性方案的关键在于一个被大多数人忽略的细节——如何利用材料中天然存在的缺陷实现电子结构重构？答案可能彻底改变你对电池回收技术的认知。
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废旧层状三元氧化物正极的直接再生为资源回收和循环电池制造提供了一条可持续的途径。尽管直接再生能够有效修复晶格缺陷，并恢复与原始 NCM 相当的电化学容量，但再生正极材料在循环过程中仍然同原始 NCM 一样出现严重的容量衰减，这阻碍了其实际应用。主要的退化机制在于循环过程中过渡金属（TM）从 TM 层固有的八面体位置迁移到锂（Li）层，这会引发从层状结构到尖晶石相/岩盐相的相变，阻碍 Li+ 通过 1-TM 通道（与八面体 TM 离子面共享的四面体位置）的传输，并损害长期循环性能。从根本上，这是受到内在电子相互作用的限制。特别是Ni 3d轨道和O 2p轨道之间固有的π型杂化促使了Ni离子的有害迁移和岩盐相的形成，最终导致容量的快速退化。因此，如何从电子结构层面调控Ni–O键合特性，抑制Ni离子迁移导致的相变失效并稳定晶格结构，是实现废旧正极材料高值化再生的关键瓶颈。
针对上述问题，西安交通大学化学学院郗凯教授团队提出了一种取向位点诱导反铁磁耦合以稳定再生正极材料的策略，利用废旧NCM正极中大量存在的本征锂空位作为取向位点，在废旧正极再生过程中选择性地将Nb原子引入Li位点。与传统的TM位点掺杂不同，Li位点的Nb能够有效调节桥接O阴离子的电子自旋取向和轨道分布，在相邻O阴离子和Ni阳离子之间触发强烈的反铁磁耦合。这种反铁磁耦合的建立，促使Ni–O轨道杂化发生了根本性转变，从不稳定的π键主导转变为稳固的σ键主导。增强的键合网络稳定了晶格骨架，有效抑制了循环过程中Ni的面内/面外迁移。实验结果表明，该策略获得的再生正极材料（AF-RSNCM）表现出优异的电化学性能，在0.5 C下循环750次后，容量保持率达60%。
该研究成果以“取向位点诱导反铁磁耦合稳定废旧锂离子电池重构正极”(Orientation Site-Induced Antiferromagnetic Coupling Stabilizes Reconstructed Cathode From Spent Lithium-Ion Batteries)为题，发表在国际著名期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上。西安交通大学化学学院为第一通讯单位，博士生李辰赵莎、硕士生贺毓嘉、博士生李卫平为论文共同第一作者，郗凯教授、贾凯助理教授为论文共同通讯作者。
该研究得到了国家自然科学基金重大研究计划培育项目及面上项目、陕西省博士后科研资助计划项目、陕西省秦创原创新人才计划等项目的资助，并获得了西安交通大学国家储能技术产教融合创新平台以及西安交通大学分析测试共享中心在测试表征方面的支持。同时，特别感谢丁书江教授、杨国锐副教授、徐明副教授等多位领域专家的指导。
论文链接：
http://doi.org/10.1002/anie.202522851
郗凯教授课题组：
https://x-group-site.webflow.io/
https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/0020210390
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