华中科技大学&燕山大学&温州大学EES:反位Li/Fe缺陷瞬态重排,实现磷酸铁锂瞬间修复!

锂电联盟会长 2024-08-29 13:47

点击左上角“锂电联盟会长”,即可关注!

                

磷酸铁锂(LiFePO4,LFP)电池因其高可持续性、热稳定性、长使用寿命和低成本而在锂电池市场中占据重要地位,超过三分之一的市场份额。然而,LFP电池在使用过程中会逐渐退化,主要表现为锂离子扩散路径被阻碍,导致容量衰减和寿命缩短。在老化或退化的磷酸铁锂(LFP)材料中,材料失效通常与锂的缺乏有关,这导致锂空位(LiV)、铁占据锂位(FeLi)以及晶体单元内的锂/铁反位缺陷的产生,这三种缺陷几乎总是共存。由于LFP中的锂离子传输是一维的,这些错位的锂/铁缺陷(FeLi,Li/Fe反位)不可避免地阻碍了锂离子的扩散,这是LFP容量衰减的主要原因。传统回收方法存在效率低下、成本高和环境污染等问题,而直接材料回收可以通过修复结构来回收活性材料,实现更环保和经济的电池回收。

近日,华中科技大学黄云辉教授、姚永刚教授、燕山大学聂安民教授、温州大学袁一斐教授团队提出了一种高温冲击(HTS)技术,通过瞬态高温场触发原子尺度上的Li-Fe“跳跃”运动,迅速而一致地重新排序Li/Fe,修复退化的LFP,恢复其性能。研究人员通过深入的原子级显微镜成像、理论计算和性能评估,识别并有效修复了三种类型的Li/Fe无序,实现了在几秒内的高效修复,并使修复后的LFP展现出优于商业新样品的电化学性能。这项工作不仅揭示了LFP系统中的无序和重排序基础,还提出了一种高效且可持续的策略,用于再生老化和退化的LFP,具有显著的技术经济优势。 

该成果以《Atomistic Observation and Transient Reordering of Antisited Li/Fe Defects toward Sustainable LiFePO4》为题发表在《Energy & Environmental Science》上,第一作者是Guo Yaqing。  

(电化学能源整理,未经申请,不得转载)
【工作要点】
瞬态高温冲击(HTS)技术是一种旨在诱导晶格结构内反位Li-Fe对快速、扩散较少的“跳跃”运动的方法。这个过程促进了在原子水平上Li-Fe原子的迅速而一致的重新排序。令人印象深刻的是,这种重构仅在毫秒级内展开,时间太短,无法发生任何有害的副作用反应(如杂质生成、相破坏等),展示了HTS在调控原子结构时的效率和精确性,而不影响材料完整性。同时,HTS过程可以选择性地瞬间碳化聚偏二氟乙烯(PVDF)粘结剂,在LFP颗粒上形成掺氟的碳涂层;当与表面Li补充相结合时,复合CEI可以显著提高电子和Li的导电性,从而实现具有高电化学性能的再生LFP。该策略具有显著的技术经济和环境效益,从而促进了电池循环的更可持续的方法。  
图. 1. 废旧LFP的详细结构。(a) LFP空气降解示意图。(b) S-LFP中的缺陷示意图以及沿[010]晶轴的LFP六边形模型,显示LiV、FeLi和LiFe反位。(c) 和 (d) 分别在S-LFP表面和近表面[010]方向上的HAADF STEM图像及黄色框沿线强度线轮廓。(e) S-LFP的XRD数据的Rietveld精修图谱。(f) S-LFP表面和内部Fe L边EELS低损耗图谱的比较。(g) S-LFP表面的TEM图像。(h) SLFP的EDS图像。(i) S-LFP的C 1s和F 1s XPS图谱。    
图. 2. HTS瞬态材料回收。(a) 冲击型加热的温度曲线。(b) S-LFP和(c) HTS处理的S-LFP(HTS-S-LFP)的SEM图像。(d) 和 (e) 分别是S-LFP表面和HTS-S-LFP表面的原位TEM图像。(f) HTS-S-LFP的离位TEM图像。(g) LFP颗粒的拉曼位移。(h) HTS-S-LFP的C 1s和F 1s XPS图谱。    
图. 3. HTS后Li/Fe位点重排。(a) 和 (b) 分别在HTS-S-LFP近表面和表面[010]方向上的HAADF STEM图像及黄色框沿线强度线轮廓。(c) HTS-S-LFP表面和内部Fe L边EELS低损耗图谱的比较。(d) HTS通过R-HTS-S-LFP的再生过程示意图。(e) R-HTS-S-LFP表面[010]方向上的HAADF STEM图像及黄色框沿线强度线轮廓。(f) R-HTS-S-LFP表面和内部Fe L边EELS低损耗图谱的比较。(g) HTS-S-LFP和R-HTS-S-LFP的XRD数据的Rietveld精修图谱。(h) Li/Fe反位含量的比较。    
图 4. 再生机制的DFT分析。(a) FeLi位点重排的能量曲线示意图,以及大量LiV和少量LiV时的FeLi位点重排示意图。(b) Li/Fe反位缺陷重排过程的能量曲线和示意图。(c) FeLi位点重排(大量LiV和少量LiV)和Li/Fe反位缺陷重排的相对能量障碍。    
图 5. R-HTS-S-LFP的电化学性能。(a) LFP再生晶体结构示意图。(b) S-LFP和R-HTS-S-LFP的I-V曲线。(c) S-LFP和R-HTS-S-LFP的电子电导率。(d) R-HTS-S-LFP的原位EIS。(e) R-HTS-S-LFP的CV曲线,扫描速率为0.1 mV s-1。(f) 0.1 C时的剩余容量和恢复容量。(g) S-LFP、HTS-S-LFP、R-HTS-S-LFP和商业LFP的倍率性能。(h) 在1C下循环的R-HTS-S-LFP的长期循环稳定性。    
图 6. 退化LFP的HTS再生。(a) 退化和再生LFP晶体结构示意图。(b) 不同再生过程的D-LFP的XRD谱图。(c) R-HTS-D-LFP的表面和(d) 近表面的TEM图像。(e) R-HTS-D-LFP表面和内部之间EELS低损耗光谱的比较。(f) R-HTS-D-LFP的EDS映射。(g) R-HTS-D-LFP的CV曲线。(h) R-HTS-D-LFP的原位EIS。(i) R-HTS-D-LFP的倍率性能。    
图 7. 可持续LiFePO4的经济和环境分析。(a) 利用火法冶金(Pyro)、湿法冶金(Hydro)和我们的快速直接再生(Direct)方法生产LFP的锂离子电池(LIBs)制造示意图。(b) 通过火法冶金、湿法冶金和直接回收每吨废弃LFP电池的成本。(c) 每吨LFP电池的收入。(d) 每吨LFP电池的利润。(e) 不同锂离子电池回收项目的能耗。(f) 不同锂离子电池回收项目的温室气体(GHG)排放。(g) 不同LIB回收方法的比较。
【结论】
总之,本研究展示了通过特别设计的热冲击型回收工艺来可持续再生老化或退化的LFP,解决了其臭名昭著的Li/Fe无序问题。高温场对于诱导Li-Fe原子间重排至关重要,能够在毫秒级别内从单元格到单元格一致地发生,而瞬态扰动避免了有害的副作用反应(例如杂质扩散和LFP相变质)。通过HAADF STEM和EELS映射识别的三种Li/Fe无序,通过理论计算和实验结果解释了它们的重排。此外,由无机Li盐和F掺杂的C组成的复合CEI,进一步提高了LFP的电子和离子导电性。由于Li/Fe有序化和表面CEI的构建,再生的LFP在初始库仑效率、倍率性能和循环稳定性方面都有显著提高。研究人员的工作因此揭示了LFP系统重排的基础,并提出了一种有效且可持续的策略,用于再生具有先进性能的老化和退化LFP,带来了显著的技术经济利益。    
Yaqing Guo, Yonggang Yao, Chi Guo, Yaduo Song, Pengjie Huang, Xiaobin Liao, Kun He, Hao Zhang, Hanwen Liu, Rong Hu, Wei Wang, Cheng Li, Shun Wang, Anmin Nie, Yifei Yuan, Yunhui Huang
DOI: 10.1039/D4EE01622J

锂电联盟会长向各大团队诚心约稿,课题组最新成果、方向总结、推广等皆可投稿,请联系:邮箱libatteryalliance@163.com或微信Ydnxke。
相关阅读:
锂离子电池制备材料/压力测试
锂电池自放电测量方法:静态与动态测量法
软包电池关键工艺问题!
一文搞懂锂离子电池K值!
工艺,研发,机理和专利!软包电池方向重磅汇总资料分享!
揭秘宁德时代CATL超级工厂!
搞懂锂电池阻抗谱(EIS)不容易,这篇综述值得一看!
锂离子电池生产中各种问题汇编
锂电池循环寿命研究汇总(附60份精品资料免费下载)

锂电联盟会长 研发材料,应用科技
评论 (0)
  • 退火炉,作为热处理设备的一种,广泛应用于各种金属材料的退火处理。那么,退火炉究竟是干嘛用的呢?一、退火炉的主要用途退火炉主要用于金属材料(如钢、铁、铜等)的热处理,通过退火工艺改善材料的机械性能,消除内应力和组织缺陷,提高材料的塑性和韧性。退火过程中,材料被加热到一定温度后保持一段时间,然后以适当的速度冷却,以达到改善材料性能的目的。二、退火炉的工作原理退火炉通过电热元件(如电阻丝、硅碳棒等)或燃气燃烧器加热炉膛,使炉内温度达到所需的退火温度。在退火过程中,炉内的温度、加热速度和冷却速度都可以根
    锦正茂科技 2025-04-02 10:13 73浏览
  • 据先科电子官方信息,其产品包装标签将于2024年5月1日进行全面升级。作为电子元器件行业资讯平台,大鱼芯城为您梳理本次变更的核心内容及影响:一、标签变更核心要点标签整合与环保优化变更前:卷盘、内盒及外箱需分别粘贴2张标签(含独立环保标识)。变更后:环保标识(RoHS/HAF/PbF)整合至单张标签,减少重复贴标流程。标签尺寸调整卷盘/内盒标签:尺寸由5030mm升级至**8040mm**,信息展示更清晰。外箱标签:尺寸统一为8040mm(原7040mm),提升一致性。关键信息新增新增LOT批次编
    大鱼芯城 2025-04-01 15:02 202浏览
  • 北京贞光科技有限公司作为紫光同芯授权代理商,专注于为客户提供车规级安全芯片的硬件供应与软件SDK一站式解决方案,同时配备专业技术团队,为选型及定制需求提供现场指导与支持。随着新能源汽车渗透率突破40%(中汽协2024数据),智能驾驶向L3+快速演进,车规级MCU正迎来技术范式变革。作为汽车电子系统的"神经中枢",通过AEC-Q100 Grade 1认证的MCU芯片需在-40℃~150℃极端温度下保持μs级响应精度,同时满足ISO 26262 ASIL-D功能安全要求。在集中式
    贞光科技 2025-04-02 14:50 128浏览
  • 引言在语音芯片设计中,输出电路的设计直接影响音频质量与系统稳定性。WT588系列语音芯片(如WT588F02B、WT588F02A/04A/08A等),因其高集成度与灵活性被广泛应用于智能设备。然而,不同型号在硬件设计上存在关键差异,尤其是DAC加功放输出电路的配置要求。本文将从硬件架构、电路设计要点及选型建议三方面,解析WT588F02B与F02A/04A/08A的核心区别,帮助开发者高效完成产品设计。一、核心硬件差异对比WT588F02B与F02A/04A/08A系列芯片均支持PWM直推喇叭
    广州唯创电子 2025-04-01 08:53 193浏览
  • 在智能交互设备快速发展的今天,语音芯片作为人机交互的核心组件,其性能直接影响用户体验与产品竞争力。WT588F02B-8S语音芯片,凭借其静态功耗<5μA的卓越低功耗特性,成为物联网、智能家居、工业自动化等领域的理想选择,为设备赋予“听得懂、说得清”的智能化能力。一、核心优势:低功耗与高性能的完美结合超低待机功耗WT588F02B-8S在休眠模式下待机电流仅为5μA以下,显著延长了电池供电设备的续航能力。例如,在电子锁、气体检测仪等需长期待机的场景中,用户无需频繁更换电池,降低了维护成本。灵活的
    广州唯创电子 2025-04-02 08:34 152浏览
  • 文/郭楚妤编辑/cc孙聪颖‍不久前,中国发展高层论坛 2025 年年会(CDF)刚刚落下帷幕。本次年会围绕 “全面释放发展动能,共促全球经济稳定增长” 这一主题,吸引了全球各界目光,众多重磅嘉宾的出席与发言成为舆论焦点。其中,韩国三星集团会长李在镕时隔两年的访华之行,更是引发广泛热议。一直以来,李在镕给外界的印象是不苟言笑。然而,在论坛开幕前一天,李在镕却意外打破固有形象。3 月 22 日,李在镕与高通公司总裁安蒙一同现身北京小米汽车工厂。小米方面极为重视此次会面,CEO 雷军亲自接待,小米副董
    华尔街科技眼 2025-04-01 19:39 209浏览
  • 提到“质量”这两个字,我们不会忘记那些奠定基础的大师们:休哈特、戴明、朱兰、克劳士比、费根堡姆、石川馨、田口玄一……正是他们的思想和实践,构筑了现代质量管理的核心体系,也深远影响了无数企业和管理者。今天,就让我们一同致敬这些质量管理的先驱!(最近流行『吉卜力风格』AI插图,我们也来玩玩用『吉卜力风格』重绘质量大师画象)1. 休哈特:统计质量控制的奠基者沃尔特·A·休哈特,美国工程师、统计学家,被誉为“统计质量控制之父”。1924年,他提出世界上第一张控制图,并于1931年出版《产品制造质量的经济
    优思学院 2025-04-01 14:02 148浏览
  • 文/Leon编辑/cc孙聪颖‍步入 2025 年,国家进一步加大促消费、扩内需的政策力度,家电国补政策将持续贯穿全年。这一利好举措,为行业发展注入强劲的增长动力。(详情见:2025:消费提振要靠国补还是“看不见的手”?)但与此同时,也对家电企业在战略规划、产品打造以及市场营销等多个维度,提出了更为严苛的要求。在刚刚落幕的中国家电及消费电子博览会(AWE)上,家电行业的竞争呈现出胶着的态势,各大品牌为在激烈的市场竞争中脱颖而出,纷纷加大产品研发投入,积极推出新产品,试图提升产品附加值与市场竞争力。
    华尔街科技眼 2025-04-01 19:49 210浏览
  • 职场之路并非一帆风顺,从初入职场的新人成长为团队中不可或缺的骨干,背后需要经历一系列内在的蜕变。许多人误以为只需努力工作便能顺利晋升,其实核心在于思维方式的更新。走出舒适区、打破旧有框架,正是让自己与众不同的重要法宝。在这条道路上,你不只需要扎实的技能,更需要敏锐的观察力、不断自省的精神和前瞻的格局。今天,就来聊聊那改变命运的三大思维转变,让你在职场上稳步前行。工作初期,总会遇到各式各样的难题。最初,我们习惯于围绕手头任务来制定计划,专注于眼前的目标。然而,职场的竞争从来不是单打独斗,而是团队协
    优思学院 2025-04-01 17:29 200浏览
  • 探针本身不需要对焦。探针的工作原理是通过接触被测物体表面来传递电信号,其精度和使用效果取决于探针的材质、形状以及与检测设备的匹配度,而非对焦操作。一、探针的工作原理探针是检测设备中的重要部件,常用于电子显微镜、坐标测量机等精密仪器中。其工作原理主要是通过接触被测物体的表面,将接触点的位置信息或电信号传递给检测设备,从而实现对物体表面形貌、尺寸或电性能等参数的测量。在这个过程中,探针的精度和稳定性对测量结果具有至关重要的影响。二、探针的操作要求在使用探针进行测量时,需要确保探针与被测物体表面的良好
    锦正茂科技 2025-04-02 10:41 71浏览
  • 随着汽车向智能化、场景化加速演进,智能座舱已成为人车交互的核心承载。从驾驶员注意力监测到儿童遗留检测,从乘员识别到安全带状态判断,座舱内的每一次行为都蕴含着巨大的安全与体验价值。然而,这些感知系统要在多样驾驶行为、复杂座舱布局和极端光照条件下持续稳定运行,传统的真实数据采集方式已难以支撑其开发迭代需求。智能座舱的技术演进,正由“采集驱动”转向“仿真驱动”。一、智能座舱仿真的挑战与突破图1:座舱实例图智能座舱中的AI系统,不仅需要理解驾驶员的行为和状态,还要同时感知乘员、儿童、宠物乃至环境中的潜在
    康谋 2025-04-02 10:23 98浏览
  • 引言随着物联网和智能设备的快速发展,语音交互技术逐渐成为提升用户体验的核心功能之一。在此背景下,WT588E02B-8S语音芯片,凭借其创新的远程更新(OTA)功能、灵活定制能力及高集成度设计,成为智能设备语音方案的优选。本文将从技术特性、远程更新机制及典型应用场景三方面,解析该芯片的技术优势与实际应用价值。一、WT588E02B-8S语音芯片的核心技术特性高性能硬件架构WT588E02B-8S采用16位DSP内核,内部振荡频率达32MHz,支持16位PWM/DAC输出,可直接驱动8Ω/0.5W
    广州唯创电子 2025-04-01 08:38 166浏览
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦