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AM:锂电池新突破-1秒2500℃废石墨变成高性能负极材料

已有 679 次阅读 2024-5-7 15:10 |个人分类:化学|系统分类:科研笔记

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2022年,美国莱斯大学James M. Tour团队在《Advanced Materials》上发表了题为“Flash Recycling of Graphite Anodes”的论文,提出了一种通过闪蒸焦耳热实现石墨负极快速、高效和低碳再生的方法。

【总结】

(1)高效率的回收过程:采用了超快速的闪蒸焦耳热回收方法对废旧锂离子电池(LIBs)的石墨负极进行再生。这种方法能在几秒钟内通过焦耳加热快速分解电阻性杂质,从而有效地回收石墨材料。

(2)环境影响小:传统的高温焚烧和化学湿法回收过程通常涉及高能耗和环境污染。而本文提出的闪蒸放电回收方法大幅降低了能源消耗和温室气体排放,具有更好的环保效果。

(3)保持电池性能:通过闪蒸焦耳热回收处理的石墨负极能保持原有的结构和电化学性能。相比于传统回收方法产生的材料,闪蒸焦耳热回收的石墨负极在电池中的首次比容量、倍率性能和循环稳定性等方面表现更优。

(4)经济效益:闪蒸焦耳热回收不仅降低了处理成本,而且由于过程的高效率,还能提高从废弃石墨中回收出的有用金属如锂、钴、镍和锰的经济价值。

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图1. 石墨负极的快速再生

【研究背景】

(1)随着可再生能源和电动汽车的快速发展,锂离子电池(LIBs)因其高能量密度和稳定性而被广泛应用。这导致了对锂离子电池的需求急剧增加。

(2)大量生产和使用后,废旧锂离子电池的累积将带来重大的环境问题。废电池中包含的重金属和有害化学物质如果处理不当,将对环境造成严重影响。

(3)目前的商业化锂离子电池回收技术主要集中在从阴极回收有价值的金属(如锂、钴、镍),而对于阳极部分,尤其是石墨,往往被焚烧或填埋,未能有效回收利用。

(4)现有的回收方法如湿法和高温焚烧过程效率低下,且可能带来二次污染。因此,开发一种高效、经济且环境友好的石墨负极回收技术成为迫切需要。

【研究方法】

(1)闪蒸焦耳热回收技术:通过短时高强度的焦耳加热(120 V,200 ms)处理废旧石墨负极。这种方法利用电流直接加热,快速将石墨中的杂质(如有机粘合剂和固体电解质界面(SEI)层)分解,同时保留石墨的微观结构。

(2)酸洗处理:经过焦耳加热处理后的石墨负极会用稀释的盐酸进行洗涤,以回收其中的金属离子,如锂、钴、镍和锰。这一步骤也有助于进一步净化石墨材料,移除可能残留的无机盐类。

(3)电化学性能测试:对回收后的石墨材料进行电化学性能测试,包括比容量、倍率性能和循环稳定性的评估。这些测试帮助验证回收石墨的性能是否与新材料相当,以评估其实际应用潜力。

(4)生命周期评估:对比评估闪蒸焦耳热回收方法与传统石墨生产和回收方法在能耗、水消耗和温室气体排放方面的环境影响。

【研究结果】

(1)高效的杂质去除:通过焦耳加热的方法,能在短时间内(几秒钟内)有效去除石墨负极中的有机粘合剂和固体电解质界面(SEI)层等电阻性杂质,同时保持石墨的原始微观结构不受损害。

(2)金属离子的高效回收:经过焦耳加热处理的石墨负极可以使用稀释的盐酸进行洗涤,从而有效地回收锂、钴、镍和锰等金属离子。研究显示,这一过程的金属回收效率超过99%,高于传统回收方法。

(3)改善的电化学性能:回收后的石墨负极在锂离子电池中的测试表现出优异的电化学性能,包括较高的初始比容量(0.2 C时351 mAh/g)、优良的倍率性能和良好的循环稳定性。这表明闪蒸焦耳热回收技术能有效恢复废旧石墨的电池性能。

(4)环境影响显著降低:生命周期分析结果表明,与传统的石墨生产和回收方法相比,闪蒸焦耳热回收方法大幅降低了能源消耗、水消耗和温室气体排放。例如,与合成石墨生产相比,闪蒸焦耳热回收方法能减少约96%的能源使用和约98%的温室气体排放。

(5)经济效益显著:由于闪蒸焦耳热回收过程的高效率和低能耗,该方法在经济上更具吸引力,降低了石墨材料的生产和回收成本,提高了从废旧电池中回收材料的经济价值。

【展望】

根据研究内容和结果,可以推测一些可能的后续研究方向:

(1)过程优化:进一步优化闪蒸焦耳热回收过程,例如调整电流大小和加热时间,以提高处理效率和降低能耗。同时,可以探索不同类型的电解质和粘合剂对回收效果的影响,以适应不同成分的废旧电池。

(2)材料性能提升:研究闪蒸焦耳热回收后的石墨材料的微观结构和表面化学性质,进一步提升其在电池中的电化学性能,如通过表面改性技术增加其与电解液的兼容性或改善其电导性。

(3)扩展到其他电池材料:探索将闪蒸焦耳热回收技术应用于锂离子电池中的其他组分,如正极材料,或者扩展到其他类型的电池技术,如钠离子电池和固态电池。

(4)生命周期和成本效益分析:进行更详细的经济分析和环境影响评估,考虑不同地区的能源结构和回收基础设施,为商业化部署提供决策支持。

(5)规模化生产测试:进行大规模生产试验,验证闪蒸焦耳热回收技术在工业规模上的可行性和稳定性,包括设备的扩展设计和连续操作的工艺开发。

(6)环境影响深入研究:研究在实际环境中应用闪蒸焦耳热回收技术的潜在影响,包括副产物的处理和二次污染的预防。

(7)与其他回收技术的综合应用:探索将闪蒸焦耳热回收技术与其他现有的金属回收技术(如湿化学法和热处理法)结合,以实现电池回收的最大化效益。

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总经理:高丽竹 18610000351(微信同号)

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https://doi.org/10.1002/adma.202207303



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