锂离子电池正极材料液相烧结诱导效应的研究：实现温和压力下大单晶颗粒的高效回收

为解决锂离子电池(LIB)回收过程中高能耗、高压处理需求及材料性能不足等问题，研究人员通过直接暴露加热(DEH)技术调控反应动力学，成功在~5 MPa温和压力下将废旧LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)转化为大单晶LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622)，电极密度达3.6 g/cm3，循环稳定性提升至94.4%。该研究为可持续闭环电池制造提供了新范式。

　　

随着全球能源转型加速，锂离子电池(LIB)的需求激增，但退役电池的回收成为严峻挑战。传统火法和湿法回收能耗高且污染大，而直接回收虽环保却面临材料性能不足的瓶颈——废旧正极材料如NCM523镍含量低、颗粒形态差，难以满足高能量密度需求。更棘手的是，现有技术必须在高压(>60 MPa)下才能合成单晶颗粒，且颗粒增大常伴随结构失稳。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境，严重阻碍了LIB回收的产业化进程。

韩国釜庆国立大学的Mingi Hwang、Jae Hong Choi等团队在《Joule》发表的研究，通过创新性提出直接暴露加热(DEH)技术，巧妙破解了这一难题。研究人员发现，传统加热过程中锂前驱体(LiOH)的液相在达到烧结温度前就因副反应大量消耗，而DEH通过跳过非平衡加热阶段，直接将材料暴露于900°C高温，既保留了促进颗粒生长的液相介质，又抑制了有害相变。结合~5 MPa的温和压力（相当于70kg成人徒手施压），成功将废旧NCM523转化为8μm大单晶NCM622，并首次实现全回收材料构建的双峰分布电极。

关键技术包括：1）通过FIB-SEM三维重构和EDS mapping验证液相渗透深度；2）采用100°C/min快速升温模拟DEH效应；3）优化两段式热处理（900°C烧结+795°C退火）；4）基于工业级湿度测试评估存储稳定性。

LPS机制创新

研究首次揭示LiOH液相在废旧NCM内部裂纹的渗透行为。通过SEM-EDS证实，5 MPa压力可使固液界面(SLI)覆盖率达98.3%，而传统无压处理仅能形成表面接触。深度分析显示LiOH在4.5μm处渗透浓度达峰值26.5%，为颗粒生长提供快速离子通道。

动力学控制突破

TGA和ICP-OES数据显示，DEH将锂损失率从5.1%降至0.4%。通过淬火实验捕捉到DEH样品在900°C等温阶段液相含量反常上升至87.15%，促使颗粒生长速率达1.2μm/h，是传统方法的20倍。

性能优势

DEH制备的NCM622在45°C/4.5V苛刻条件下，100次循环容量保持率达94.4%，远超传统方法的73.7%。XPS显示其氧空位浓度仅3.7%，而对照样品达6.5%。TEM证实DEH样品从表面到体相均保持层状结构，而传统方法产物表面已出现岩盐相转变。

工业价值

生命周期评估显示，DEH工艺每公斤材料可减少0.58 kg温室气体排放，成本降低11%。通过调控热处理时间（3h获小颗粒，5h获大颗粒），构建的双峰电极密度达3.6 g/cm³，体积能量密度较商业产品提升20%。

这项研究不仅实现了"温和压力下大单晶合成"的突破，更开创了"电极级回收"的新理念。通过精准调控热力学与动力学矛盾，为可持续材料合成提供了普适性策略，其意义已超越电池领域，为高温材料制备提供了新思路。正如研究者所言："最小化非必要步骤的理论洞察，往往能直接驱动目标结果的实现。"这种基于基础科学突破的工艺革新，正是推动绿色制造的关键所在。