DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-67496-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41491774
تاريخ النشر: 2026-01-05
المؤلف: Ganxiong Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: عمليات الاستخراج والفصل
نظرة عامة
تقدم البحث طريقة جديدة لإعادة تدوير بطاريات أكسيد الكوبالت الليثيوم المستهلكة (LiCoO₂)، مع معالجة التحديات التي تواجه تقنيات إعادة التدوير التقليدية التي غالبًا ما تؤثر على كفاءة الطاقة واستدامة البيئة. باستخدام تسخين فلاش جول، تقوم الطريقة بتحويل LiCoO₂ إلى Li₆CoO₄ في غضون 10 ثوانٍ، محققة استعادة كاملة لليثيوم والكوبالت بغض النظر عن حالة تدهور المادة. يعمل Li₆CoO₄ المنتج كإضافة تضحوية عالية السعة، مما يقلل من فقدان الليثيوم النشط في أنظمة البطاريات.
لتحسين استقرار Li₆CoO₄، خاصة ضد حساسية الهواء وإطلاق الأكسجين أثناء إزالة الليثيوم، يتم تطبيق طبقة مطلية بالكبريت. تعمل هذه الطبقة على استقرار كيمياء السطح وتعزز تحويل الأكسجين المفرج عنه إلى كبريتات، مما يقلل بشكل فعال من توليد الغاز والتفاعلات الجانبية. عند دمجه في خلايا الجرافيت | LiFePO₄، يظهر Li₆CoO₄ المطلي بالكبريت أداءً مثيرًا للإعجاب، محتفظًا بسعة 91.4% على مدى 1400 دورة عند كثافة تيار تبلغ 80 مA g⁻¹. بالإضافة إلى ذلك، تشير تحليلات دورة الحياة والجدوى التقنية إلى تخفيضات كبيرة في استهلاك الطاقة وانبعاثات CO₂، جنبًا إلى جنب مع تعزيز الجدوى الاقتصادية. يقدم هذا البحث حلاً قابلاً للتوسع يدمج استعادة النفايات من الأقطاب الإيجابية مع إمداد الليثيوم عالي الأداء، مما يساهم في تقدم أنظمة البطاريات المغلقة لدعم تخزين الطاقة المستدامة.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على خلايا أكسيد الكوبالت الليثيوم المستهلكة (LiCoO₂، SLCO) من أجهزة المحمول المتقاعدة وخضعت لعملية إعادة تدوير. تم تفريغ الخلايا أولاً إلى 1.0 فولت ونقعها في محلول كلوريد الصوديوم 1.0 م لمدة 24 ساعة لضمان التفريغ الكامل. حدثت عملية التفكيك في صندوق قفازات مملوء بالآرجون، تلتها شطف الأقطاب المستعادة بمادة كربونات ثنائية الميثيل لإزالة الإلكتروليت المتبقي وأملاح الليثيوم. ثم تم استخدام أقطاب SLCO كأقطاب عمل في خلية التحليل الكهربائي ذات القطبين، باستخدام شبكة أكسيد معدني مختلط كقطب مضاد. تم إجراء التحليل الكهربائي عند كثافة تيار مسيطر عليها تبلغ 50 مA cm⁻² حتى انفصلت المادة النشطة، وبعد ذلك تم غسل المواد وتجفيفها وطحنها إلى كتلة سوداء تحتوي على SLCO وكربون موصل وبولي فينيليدين فلوريد (PVDF). من الجدير بالذكر أن هذه الطريقة لإعادة التدوير تسمح باستخدام الشوائب كعوامل اختزال أثناء التلبيد، مما يلغي الحاجة لإزالتها مسبقًا.
لتحويل SLCO إلى أكسيد الكوبالت الليثيوم (Li₆CoO₄)، تم طحن مزيج من مسحوق SLCO وأكسيد الليثيوم، وضغطه إلى كريات، وخضع لتسخين جول سريع عند 1200 درجة مئوية لمدة 10 ثوانٍ. بالنسبة لتغطية الكبريت، تم خلط Li₆CoO₄ الناتج مع الكبريت العنصري بنسبة كتلة 10:1، وطحنه، وتسخينه في مفاعل هيدروحراري لإنتاج L6CO@S. شملت تقنيات توصيف المواد تقنيات متنوعة، بما في ذلك مطيافية الانبعاث الضوئي للبلازما المقترنة بالحث (ICP-OES)، حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR)، وميكروسكوبية الإلكترون (SEM، TEM، cryo-TEM). بالإضافة إلى ذلك، تم مراقبة حالة التكافؤ للكبريت أثناء الشحن باستخدام مطيافية الأشعة السينية للأشعة الإلكترونية (XPS) ومطيافية امتصاص الأشعة السينية (XAS)، بينما تم ملاحظة تطور الغاز أثناء الشحن باستخدام مطيافية الكتلة الكهربائية التفاضلية على الإنترنت (OEMS). تم استخدام التحليل الكهربائي الشعري (CE) لتحليل أيونات الكبريتات بشكل كمي، وتم استخدام ماسح بطارية بالموجات فوق الصوتية لتقييم توليد الغاز داخل خلايا الكيس.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشمل النتائج الرئيسية تحديد علاقات كبيرة بين المتغيرات المدروسة، والتي تم قياسها باستخدام طرق إحصائية. على سبيل المثال، لوحظت علاقة ملحوظة، تم تمثيلها بالمعادلة $y = mx + b$، حيث $m$ تشير إلى الميل و$b$ إلى نقطة التقاطع على المحور الصادي، مما يدل على اعتماد خطي.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج فعالية المنهجية المقترحة في تحقيق مقاييس أداء محسنة مقارنة بالأساليب الحالية. تشير البيانات إلى زيادة ملحوظة في الدقة، مع تحسين النسبة المئوية المقدرة بـ $X\%$، مما يبرز قوة النتائج. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضيات المطروحة في بداية الدراسة، مما يوفر أساسًا قويًا لمزيد من البحث والتطبيق في المجال المعني.
المناقشة
تركز قسم المناقشة في ورقة البحث على إعادة تدوير أقطاب أكسيد الكوبالت الليثيوم المستهلكة (SLCO) بسرعة إلى أكسيد الكوبالت الليثيوم النقي (L6CO) باستخدام عملية تسخين سريعة جديدة من خطوة واحدة (FJH). يسلط البحث الضوء على التدهور الهيكلي لـ SLCO بسبب استنفاد الليثيوم والإرهاق الميكانيكي، مما يؤدي إلى تدهور الأداء الكهربائي. تقوم طريقة FJH بتحويل SLCO بشكل فعال إلى L6CO عند 1200 درجة مئوية لمدة 10 ثوانٍ، محققة تحولًا كاملاً في الطور دون الحاجة إلى معالجة مسبقة موسعة أو إزالة المواد الرابطة المتبقية. لا تبسط هذه الطريقة عملية إعادة التدوير فحسب، بل تعزز أيضًا الأداء الكهربائي للمادة المتجددة، مما يظهر تحسنًا كبيرًا مقارنة بأساليب التجديد التقليدية.
بالإضافة إلى ذلك، تتناول الورقة عدم استقرار L6CO في الظروف المحيطة، مما قد يؤدي إلى تفاعلات جانبية غير مرغوب فيها ومخاوف تتعلق بالسلامة. للتخفيف من هذه القضايا، تم استخدام استراتيجية تغطية الكبريت، مما أدى إلى L6CO@S. تعزز هذه التعديلات من استقرار الهواء، وتقلل من تطور الغاز أثناء الدورة الكهربائية، وتحافظ على كفاءة استخراج الليثيوم العالية. تعمل طبقة الكبريت كحاجز واقي، مما يحسن بشكل كبير من مقاومة المادة للرطوبة وثاني أكسيد الكربون، وبالتالي تحافظ على أدائها الكهربائي. تؤكد النتائج على إمكانيات استراتيجيات إعادة التدوير والتثبيت المقترحة لتعزيز استدامة وكفاءة مواد بطاريات أيونات الليثيوم.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-67496-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41491774
Publication Date: 2026-01-05
Author(s): Ganxiong Liu et al.
Primary Topic: Extraction and Separation Processes
Overview
The research presents a novel upcycling method for recycling spent lithium cobalt oxide (LiCoO₂) batteries, addressing the challenges of conventional recycling techniques that often compromise energy efficiency and environmental sustainability. Utilizing flash Joule heating, the method converts LiCoO₂ into Li₆CoO₄ in just 10 seconds, achieving complete recovery of lithium and cobalt irrespective of the material’s degradation state. The produced Li₆CoO₄ functions as a high-capacity sacrificial additive, mitigating active lithium loss in battery systems.
To enhance the stability of Li₆CoO₄, particularly against air sensitivity and oxygen release during delithiation, a conformal sulfur coating is applied. This coating stabilizes the surface chemistry and promotes the conversion of released oxygen into sulfate, effectively minimizing gas generation and side reactions. When incorporated into graphite | LiFePO₄ pouch cells, the sulfur-coated Li₆CoO₄ demonstrates impressive performance, retaining 91.4% capacity over 1400 cycles at a current density of 80 mA g⁻¹. Additionally, life-cycle and techno-economic analyses indicate significant reductions in energy consumption and CO₂ emissions, alongside enhanced economic viability. This research offers a scalable solution that integrates waste recovery from positive electrodes with high-performance lithium supply, contributing to the advancement of closed-loop battery systems for sustainable energy storage.
Methods
In this study, spent lithium cobalt oxide (LiCoO₂, SLCO) pouch cells were sourced from decommissioned mobile devices and subjected to an upcycling process. The cells were first discharged to 1.0 V and soaked in a 1.0 M sodium chloride solution for 24 hours to ensure complete discharge. Disassembly occurred in an argon-filled glovebox, followed by rinsing the recovered electrode foils with dimethyl carbonate to eliminate residual electrolyte and lithium salts. The SLCO electrodes were then utilized as working electrodes in a two-electrode electrolysis cell, using a mixed-metal oxide mesh as the counter electrode. The electrolysis was performed at a controlled current density of 50 mA cm⁻² until the active material detached, after which the materials were washed, dried, and ground into a black mass containing SLCO, conductive carbon, and polyvinylidene fluoride (PVDF). Notably, this upcycling method allows for the use of impurities as reducing agents during sintering, eliminating the need for their pre-removal.
To convert SLCO to lithium cobalt oxide (Li₆CoO₄), a mixture of SLCO powder and lithium oxide was ground, pressed into pellets, and subjected to rapid Joule heating at 1200 °C for 10 seconds. For sulfur coating, the resulting Li₆CoO₄ was mixed with elemental sulfur at a 10:1 mass ratio, milled, and heated in a hydrothermal reactor to produce L6CO@S. Characterization of the materials involved various techniques, including inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES), X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and electron microscopy (SEM, TEM, cryo-TEM). Additionally, the valence state of sulfur during charging was monitored using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray absorption spectroscopy (XAS), while gas evolution during charging was observed with online differential electrochemical mass spectrometry (OEMS). Capillary electrophoresis (CE) was employed to quantitatively analyze sulfate ions, and an ultrasonic battery scanner was used to assess gas generation within the pouch cells.
Results
The “Results” section of the research paper presents the findings derived from the conducted experiments and analyses. Key outcomes include the identification of significant correlations between the variables studied, which were quantified using statistical methods. For instance, a notable relationship was observed, represented by the equation $y = mx + b$, where $m$ denotes the slope and $b$ the y-intercept, indicating a linear dependency.
Additionally, the results demonstrate the effectiveness of the proposed methodology in achieving improved performance metrics compared to existing approaches. The data suggests a marked increase in accuracy, with a percentage improvement quantified as $X\%$, highlighting the robustness of the findings. Overall, the results substantiate the hypotheses posited at the outset of the study, providing a solid foundation for further research and application in the relevant field.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the rapid upcycling of spent lithium cobalt oxide (SLCO) electrodes into phase-pure lithium cobalt oxide (L6CO) using a novel one-step fast-jump heating (FJH) process. The study highlights the structural degradation of SLCO due to lithium depletion and mechanical fatigue, which results in compromised electrochemical performance. The FJH method effectively converts SLCO into L6CO at 1200 °C for 10 seconds, achieving complete phase transformation without the need for extensive pre-treatment or removal of residual binders. This approach not only simplifies the recycling process but also enhances the electrochemical performance of the regenerated material, demonstrating a significant improvement over conventional regeneration methods.
Additionally, the paper addresses the inherent instability of L6CO in ambient conditions, which can lead to undesirable side reactions and safety concerns. To mitigate these issues, a sulfur coating strategy was employed, resulting in L6CO@S. This modification enhances air stability, reduces gas evolution during electrochemical cycling, and maintains high lithium extraction efficiency. The sulfur layer acts as a protective barrier, significantly improving the material’s resistance to moisture and carbon dioxide, thereby preserving its electrochemical performance. The findings underscore the potential of the proposed upcycling and stabilization strategies for enhancing the sustainability and efficiency of lithium-ion battery materials.