PHI TOF-SIMS Assisting The Green and Sustainable Development Strategy of Lithium Battery

隨著國內新能源汽車銷量高速增長，動力電池裝機量也隨之迅速攀升。鑒于新能源汽車動力電池的平均使用壽命約為6~8年，動力電池在未來2-3年內將迎來大規模退役潮，因此動力電池的回收已成為全國甚至全球相關產業可持續發展的關鍵。鋰的回收需要考慮諸多問題，如回收效率、回收成本、環境污染以及方法的可行性等。傳統的廢鋰回收方法主要有火法冶金、濕法冶金、生物冶金和電化學萃取等。然而，根據全球環境規劃署（United Nations Environment Programme）的報告，歐盟的廢LIB回收率不5%，這意味著廢鋰的回收仍然面臨著極大的挑戰。

近來，鄭州大學電氣與信息工程學院電網儲能團隊，在廢舊電池鋰資源回收的研究上取得了新進展。該團隊通過構筑“富鋰電極（負極）|| LLZTO@LiTFSI+P3HT || LiOH（正極）” 的新型電化學提鋰系統，提出了一種綠色、低能耗、高效率（回收率高達97%）的鋰回收策略，在獲得高純度(99%)LiOH的同時還能生成綠色能源H₂。此外，利用ULVAC-PHI的飛行時間二次離子質譜（PHI nanoTOF II），借助高分辨的2D + 3D圖，直觀地證明了對鋰的成功回收。相關研究以“A Green and Sustainable Strategy towards Lithium Resources Recycling from Spent Batteries”為題，發表在國際有名期刊《Science Advances》上。

圖1 廢舊鋰電池綠色無害鋰資源回收系統的示意圖。

鋰提取過程的總體反應和工作原理如圖1所示。該裝置以石榴石型Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂ (LLZTO)陶瓷來制作固體電解質管，通過對系統充電，讓水發生水解形成OH ^-和H⁺離子，其中OH^−離子與提取的Li⁺反應生成LiOH，而H⁺離子則從外部電路獲得電子，產生H₂，從而實現對Li的綠色、可持續回收。

圖2 LiFePO₄電極(a)、LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂ 電極(b-c)提取鋰后的TOF-SIMS表征

為了確認Li的回收情況，對Li回收前后的電極進行了TOF-SIMS分析。如圖2a所示，經過鋰提取后的LFP（LiFePO₄）電極，Li^−的信號幾乎消失，FePO₄ ^–信號保持不變。該結果直觀地證明了通過鋰回收裝置，成功地從LFP電極中提取了鋰。此外，為了研究鋰回收系統的普適性，進一步評估了對廢舊LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂電池的鋰回收性能，結果見圖2b和2c。TOF-SIMS深度剖析曲線以及3D模型均直觀地顯示組分中各離子的深度分布情況，結果表明鋰提取后電極中Ni^−、Co^−和Mn^−的信號幾乎沒有變化，而Li^−消失，再次驗證了該鋰回收裝置對回收廢舊鋰電池中鋰的高效性和可行性。 

總之，本文提出了一種綠色的、可持續的從廢電池中回收鋰的新型戰略，并借助TOF-SIMS等分析技術對鋰的回收性能進行了充分驗證。

ULVAC-PHI作為全球技術先進的表面分析儀器廠商，一直致力于開發先進的儀器設備，力圖幫助用戶解決科研和生產中的相關難題，共同推動表面分析技術的發展。 

參考文獻

[1] Xu J. et al. A green and sustainable strategy toward lithium resources recycling from spent batteries. Sci. Adv. 8, eabq7948 (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq7948.