研究背景

锂离子电池由于其高能量和功率密度，已成为便携式电子产品和混合动力/全电动汽车的主流电源。随着锂离子电池产品的普及，可以预见的是，在电池寿命结束时将不可避免地出现大量的废旧电池，将对社会的可持续发展造成严重的压力。然而目前废旧锂离子电池材料的回收普遍采用繁琐的分离和复杂的提取技术。这些过程存在溶剂成本昂贵、废气排放高、回收路线复杂、金属纯度不理想等明显缺点，进而限制了其在工业上的有效应用。在此，作者提出了一种简单，高效且成本低廉的策略，将废旧电池正极材料修饰和再生成高效的电解水催化剂，成功实现了从电池电极废料到电催化剂的功能转变。这种策略不仅能够极大的降低了废旧电池材料处理造成的环境污染与能源消耗，而且可以为清洁能源氢能的制备提供性能优异的电催化剂。通过变废为宝实现节能减排，对于早日实现碳达峰、碳中和的重要目标具有实际意义。

工作介绍

近日，天津大学胡文彬、陈亚楠团队利用湿化学浸渍法结合电化学原位转化将废旧电池正极材料磷酸铁锂转变成高效的析氧反应电催化剂。镍促进剂的引入和前驱物形貌的原位转化增强了金属位点之间的电子相互作用, 同时产生了大量的缺陷。电化学测试结果表明, 转化的Ni-LiFePO4在10 mA cm-2电流密度下的过电位为285 mV，Tafel斜率仅为45 mV dec-1, 优于前驱物废料LiFePO4, 甚至优于基准贵金属催化剂RuO2。作为一种绿色且通用的方法, 该研究为基于废旧电池材料规模化制备优良电催化剂提供了新的机遇。该方法具有易于实施、产率高、可放大等优点。文章发表在SCIENCE CHINA Materials （2021, DOI: 10.1007/s40843-021-1682-0）上。博士生崔柏桦为本文第一作者。

图1 废料LiFePO4催化剂的修饰改性过程

图2 (a-c) Ni-LiFePO4的TEM和HRTEM图像， HAADF-STEM图像(d)与EDX mapping图像(e)。(f-h) evolved Ni-LiFePO4纳米片的TEM和HRTEM图像

图3 LiFePO4, Ni- LiFePO4和evolved Ni-LiFePO4样品的高分辨XPS光谱。(a) Fe 2p；(b) Ni 2p；(c) O 1s；(d) P 2p

图4 Ni-LiFePO4、RuO2、废LiFePO4和炭黑的电化学测试。(a) 1 mol L-1 KOH中扫描速率为5 mV s-1的极化曲线和相应的Tafel图(b)。(c) 1.15 V vs RHE时的电流与扫描速率关系图。(d) 电化学活性面积归一化的极化曲线。(e) Nyquist图(η=300 mV)。(f) Ni-LiFePO4在10 mA cm-2条件下的稳定性测 (附图:多步计时电位曲线)

总结

综上所述，通过浸渍和电化学原位转化能够获得富含缺陷的高活性NiFe基纳米片催化剂，其催化析氧反应性能优于废料LiFePO4甚至贵金属催化剂RuO2。催化活性的提高一方面是来源于结构演变产生的大量缺陷和开放的空间结构，使反应动力学过程加快。另一方面，Ni助剂的引入增强Ni和Fe之间的相互作用从而影响中间体的吸附能，提高其电化学反应的本征活性。该研究证实了化学改性激活惰性废旧电池正极材料的积极效果，为不同催化体系设计有效的电催化剂找到了新的途径。此外，该方法具有较低的材料损耗、较短的生产周期，以及很高的大规模工业化潜力。重要的是，这一策略有望最大限度地利用电池废料，减少可能的环境污染，节约宝贵的矿产资源。

锂离子电池由于其高能量和功率密度，已成为便携式电子产品和混合动力/全电动汽车的主流电源。随着锂离子电池产品的普及，可以预见的是，在电池寿命结束时将不可避免地出现大量的废旧电池，将对社会的可持续发展造成严重的压力。