刊登 NC&AEM！台式easyXAFS助力废旧锂电高效回收
发布日期：2026-08-07
伴随新能源汽车、消费电子市场扩容，退役锂离子电池的存量持续激增，绿色、低成本、高效率的锂电回收工艺已成为行业刚需。传统火法/湿法冶金能耗高、污染重；直接再生又受限于中镍容量瓶颈或固相动力学迟缓。近日，国内研究人员在锂电回收技术取得两项里程碑式创新成果，分别开发电子束辐解自由基常温浸出、双向晶格锚定固态升级富镍正极两套全新技术方案，相关研究成果相继刊发于《Nature Communications》、《Advanced Energy Materials》两大国际期刊。值得关注的是，两项突破性工作全部依托easyXAFS 台式 X 射线吸收精细结构/发射谱仪完成电池材料微观机理核心表征。
台式easyXAFS是专为催化、材料、能源原位机理研究打造的桌面型高精度表征平台，也是目前少数可在常规实验室环境下实现高精度 XANES 与 EXAFS 测试的桌面型表征平台。它无需依赖同步辐射大型科学装置，不受机时预约、排队周期、测试成本限制。 设备支持透射/荧光双检测模式，兼容粉末、极片与各种原位池，可轻松支撑高温、低温、电化学等全场景实验，实现新鲜样品实验室内及时表征解析。把同步辐射的“结构眼睛”搬进课题组常态流程，让材料的价态—键长—无序度论证，从“出差排队”变成“当天闭环”。
图1. 台式X射线吸收精细结构谱/发射谱仪-easyXAFS
Nature Communications:通过辐射分解自由基反应有效回收废旧锂离子电池
传统的火法和湿法冶金工艺回收废旧锂离子电池效率低下且操作条件苛刻。针对于此，研究人员开发了一种高效的中试规模辐射驱动浸出策略。在常温条件下，通过可控电子束辐照，仅需数分钟即可实现有价过渡金属和锂近乎完全（>99%）的浸出。机理研究表明，水辐射分解过程中产生的水合电子与柠檬酸衍生自由基协同作用，通过还原高价金属中心并断裂金属-氧键，驱动了正极材料的快速非晶化。此外，浸出液被重新利用制备成高效正极材料和析氧反应催化剂，构建了经济可行的闭环回收工艺。
图2展示了辐射驱动浸出（RDL）的工艺流程，说明 RDL是可直接对接电子束废水/烟气处理线能力的公斤级连续流回收单元。
图2. 辐射驱动浸出（RDL）的工艺示意图
作者用easyXAFS测试了经历不同剂量辐照后Co-K边的X射线吸收谱，用于研究辐照对材料电子结构和配位环境的影响，揭露辐照反应背后的化学机理。XANES谱图显示，随着辐射剂量的增加，边前峰（pre-edge peak）强度降低，表明O 2p轨道与Co 3d–3p轨道之间的重叠减少，且离子性增强。吸收边位置从原始LCO中的约7728 eV移动至80 kGy剂量下的约7726 eV，表明Co(III)还原为Co(II)，这与XPS结果一致。EXAFS谱显示Co–O和Co–Co/Li键伸长，同时伴随峰强度降低，这表明发生了八面体畸变、键合减弱以及渐进式的非晶化过程。综合来看，这些结果确立了RDL过程背后的三个步骤：(i) 直接辐射产生晶格缺陷和氧空位；(ii) 质子嵌入和辐射分解产生的自由基加速了M–O键的断裂及Co(III)的还原；(iii) 柠檬酸盐配体通过络合作用稳定了溶解的Co(II)物种。
图3. 不同剂量辐照处理前后Co-K边的X射线吸收谱
Advanced Energy Materials: 双向晶格锚定策略增强废旧锂离子电池正极材料的组分重构
富镍策略因能显著提升能量密度，成为废旧LiNi0.54Co0.16Mn0.3O2(SNCM) 升级回收的关键途径。然而，SNCM 固有的结构缺陷以及再生过程中前驱体间的非均匀反应，共同导致了不可逆的相变，阻碍了理想有序层状结构的形成。为此，研究人员开发了一种针对性的双向锚定策略，即在 SNCM 和 Ni(OH)2 表面预先锚定铝（Al）物种。经升级回收的正极材料表现出优异的电化学性能：在0.2C 倍率下可逆容量达到186.84 mAh g⁻¹，在1C 倍率下循环200周后容量保持率为90.17%，性能优于目前的商业材料。
为解析材料的精细结构，作者利用easyXAFS开展了变温EXAFS实验，为局部结构的演变提供了直接证据。如下图所示，位于2.0Å附近的信号归因于岩盐相NiO，随着温度升高，由BDLA法制备的样品表现出较弱的NiO信号强度，这表明该策略能有效增强再生材料的结构稳定性和有序度，该结果与理论计算及XRD分析结果高度一致。
图4. 常规与双向晶格锚定（BDLA）条件下的变温Ni-K边EXAFS谱图。
作者进一步研究了Al锚定对材料配位环境和电子结构的调控。X射线吸收近边结构（XANES）谱图显示，A-UNCM中的Ni K边向低能方向移动，这表明由于Al的锚定作用引发了电荷补偿与结构调控，导致Ni的平均氧化态降低。这种调控进一步影响了Ni-O键长及配位环境。扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）分析表明，受Ni价态降低的影响，A-UNCM中的Ni-O键长较UNCM略有增加。Al-O键较强的共价性也削弱了Ni-O配位作用。值得注意的是，Ni-TM间距保持不变，说明Al掺杂并未破坏过渡金属层内的长程结构有序性。在小波变换EXAFS分析中，UNCM的Ni-O信号在k方向上表现出明显的展宽，表明其局部结构有序度低于A-UNCM。
图5. A-UNCM 和 UNCM 的Ni-K边的XANES，EXAFS，及小波变换谱图。A-UNCM 和 UNCM 分别是采用 BDLA 策略和传统路线升级回收得到的高镍正极材料
参考文献：
1. Effective recycling of spent lithium-ion batteries via radiolytic radical reactions, Nature Communications, 2026
2. Bidirectional Lattice Anchoring Enhances Composition Reconfiguration of Spent Lithium-Ion Cathodes, Advanced Energy Materials, 2026
