基于铝杂质掺杂的废旧磷酸铁锂正极材料修复与升级新方法

为解决废旧LiFePO4(LFP)电池回收过程中铝杂质去除成本高、工艺复杂的问题，研究人员创新性地将铝杂质转化为可控掺杂剂，通过精确调控Al含量（1000 ppm最佳）实现了LFP材料的结构修复与性能提升。再生后的Al掺杂LFP展现出153.9 mAh g-1的初始放电容量、5 C下112.1 mAh g-1的优异倍率性能及200次循环后96.4%的容量保持率。该研究为LFP直接再生提供了经济环保的新策略。

　　

随着新能源汽车产业的爆发式增长，数以万吨计的退役磷酸铁锂(LiFePO₄, LFP)电池正形成"退役潮"。这种具有橄榄石结构、理论容量170 mAh g^-1的正极材料，虽以循环寿命长、安全性高著称，但5-8年的服役周期后，其回收处理已成为迫在眉睫的环保与资源难题。传统火法冶金和湿法冶金回收工艺虽能去除铝箔集流体引入的Al杂质，却面临能耗高、步骤繁琐的困境，更吊诡的是——被视为"有害杂质"的铝，在电池设计领域却被证明能提升LFP的电子导电性(10^–9～10^–10 S cm^-1)和Li⁺扩散系数(10^–14–10^–16 cm² s^-1)。这种认知矛盾促使江西赣锋锂业集团的研究团队重新审视Al杂质的"善恶边界"。

研究人员采用"变废为宝"的创新思路，通过精确调控Al掺杂量（0-2000 ppm梯度实验），在350°C烧结与700°C退火（Ar气氛）条件下，实现了Al³⁺对橄榄石结构中Fe位点的选择性取代。关键技术包括：X射线衍射(XRD)分析晶体结构变化、透射电镜(TEM)观察晶格条纹、电化学阻抗谱(EIS)测试Li⁺扩散动力学，以及采用CR2032型纽扣电池评估倍率性能（1 C=170 mAh g^-1标准）。实验原料来自工业退役LFP电池，通过碱浸-热分解-溶剂溶解等预处理获得含Al杂质的回收料。

【研究结果】

1. Al掺杂含量阈值研究：XRD证实1000 ppm Al掺杂不会生成杂相AlPO₄，且能抑制Fe_Li反位缺陷（Fe占据Li位点的有害缺陷）。超过该阈值会导致晶格畸变和容量衰减。

2. 结构表征：高分辨TEM显示再生LFP具有清晰的晶格条纹（间距0.43 nm对应(111)晶面），能量色散X射线谱(EDS)证实Al元素均匀分布，未出现表面偏聚。

3. 电化学性能：最优样品在1 C下展现153.9 mAh g^-1的放电容量，5 C高倍率下仍保持112.1 mAh g^-1（相当于65.9%的容量保持率），200次循环后容量保持率达96.4%，显著优于传统再生工艺产品。

4. 机理分析：Al³⁺掺杂通过"价态补偿效应"稳定了Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原电对（3.45 V vs. Li⁺/Li），同时拓宽了Li⁺扩散通道。第一性原理计算表明Al-O键能（531.2 kJ/mol）高于Fe-O键能（402.7 kJ/mol），增强了结构稳定性。

这项发表于《Resources, Conservation and Recycling》的研究颠覆了传统认知，证明适度保留Al杂质反而能提升再生LFP性能。通过建立1000 ppm的Al含量阈值，团队实现了"去污"与"提质"的协同——既规避了复杂纯化步骤（节省30%以上处理成本），又获得性能优于商业LFP的再生材料。该策略已应用于赣锋锂业的万吨级回收产线，为动力电池绿色循环提供了教科书级范例。正如通讯作者Liang Chen指出："这项研究重新定义了回收标准——有时最高明的净化，不是彻底清除，而是智慧转化。"