基于杂质再利用的焙烧-浸出策略将废旧LiMn2O4升级为富钠P2型锰铁基正极材料并回收锂资源

针对废旧锂离子电池(LIBs)正极材料回收过程中杂质分离与利用难题，研究人员创新性提出FeSO4·7H2O辅助焙烧-水浸策略，将铁杂质转化为活性正极组分Na0.78Mn0.774Fe0.199Ti0.027O2，同步获得高纯Li2CO3。该材料在1C下150次循环容量保持率达92.3%，为LIBs回收与钠离子电池(SIBs)高性能正极开发提供双赢方案。

　　

随着消费电子和电动汽车爆发式增长，全球锂资源供应日趋紧张，废旧锂离子电池(LIBs)的处置问题日益凸显。这些电池若处理不当，不仅会造成锰、铁等重金属污染，更意味着战略金属资源的巨大浪费。值得注意的是，废旧LIBs正极中的金属离子浓度远超地壳矿石，堪称"城市矿山"。然而传统火法回收工艺中，锂和过渡金属往往分散在炉渣与烟尘中；湿法回收又需多步分离纯化，产生大量复杂废水。如何实现高效、绿色的资源循环，成为学术界与产业界共同面临的挑战。

针对这一难题，重庆理工大学的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表创新成果，提出"杂质再利用"的焙烧-浸出策略，巧妙将废旧LiMn₂O₄(LMO)正极转化为钠离子电池(SIBs)用高性能P2型正极材料，同时回收高纯度锂盐。该研究采用TiO₂生产副产品——绿矾(FeSO₄·7H₂O)作为助剂，通过精确调控的900℃焙烧-水浸工艺，实现锂的选择性提取（以Li₂SO₄形式）与锰铁组分的定向转化。浸出残渣经与Na₂CO₃/TiO₂固相反应，最终制备出结构稳定的Na_0.78Mn_0.774Fe_0.199Ti_0.027O₂正极材料。

关键技术包括：(1)FeSO₄·7H₂O辅助焙烧实现Li-Mn/Fe高效分离；(2)钛离子掺杂稳定层状结构；(3)同步获得电池级Li₂CO₃副产品。

【结果与讨论】

1. 选择性锂提取机制：密度泛函理论计算证实，FeSO₄·7H₂O分解产生的Fe²⁺和SO₂具有协同还原作用，促使Li⁺从尖晶石结构中释放，转化率达98.7%。

2. 材料结构特性：X射线衍射显示产物为典型P2型层状结构，钛掺杂有效抑制了Jahn-Teller畸变，Fe/Mn氧化还原对协同贡献容量。

3. 电化学性能：在1C倍率下循环150次后容量保持率高达92.3%，优于多数报道的Mn/Fe基正极。原位XRD证实钛掺杂显著缓解充放电过程中的结构应变。

【结论】
该研究开创性地将传统视为杂质的铁元素转化为功能性电极组分，形成"以废治废"的闭环回收模式。相比传统工艺，新策略减少SO₂排放40%以上，锂回收成本降低35%。所获正极材料兼具成本优势与优异性能，为废旧LIBs的高值化利用开辟新路径。这种"资源回收-材料升级"双赢模式，对推动新能源产业可持续发展具有重要示范意义。