【LiBs回收】WM：将锂电池中的废石墨升级为电池级石墨烯：管理产生的废物和环境影响分析—Pouria Nazari

【论文链接】

https://doi.org/10.1016/j.wasman.2023.11.038

【作者单位】

德黑兰大学，内华达大学

【论文摘要】

这项研究的重点是将石墨需求与电池材料需求联系起来，为解决电池材料短缺问题提供解决方案，促进可持续发展。采用改进的Hummer方法从回收石墨中合成石墨烯，并与提纯的回收石墨合成石墨烯进行了比较。回收石墨的提纯采用酸化浸出和焙烧的方法。

分析表明，还原反应有效地去除了石墨烯中的含氧官能团，从而提高了石墨烯的质量。在废物处理中，采用Hummer公司的废酸作为锂离子电池不同阴极类型的浸出剂。该废酸是一种浸出过渡金属的强试剂，从废锂阴极中几乎完全回收了锂、钴、锰和镍。与电池级石墨相比，合成的石墨烯具有更高的比表面积和电导率。对石墨烯薄片在锂半电池中的电化学性能进行了评价，发现由回收石墨合成的石墨烯能够增加活性中心的锂插入率，表明其具有提高锂保留率的潜力。此外，还进行了一项生命周期评估研究，以评估回收和合成过程的环境影响。这项研究证明了回收废电池阳极中的石墨以生产高质量石墨烯的潜力，并改善了其电化学性能。

【实验方法】

初始材料的制备：

废锂离子电池首先被排出，然后手动拆卸以启动该过程。使用螺丝刀和小型研磨机小心地将塑料和钢壳从电池中取出。然后手动分离阴极和阳极箔，并将石墨带从用作集流体的铜箔上剥离。接下来，使用球磨机将石墨条粉碎5分钟。粉碎后，将所得材料过200目的筛子，得到粒径小于75μm的石墨粉。

改进Hummers方法优化合成还原氧化石墨烯：

在这些实验中，将 1 g SG 粉末分散在圆底烧瓶中的浓 H₂SO₄ 和 H₃PO₄（比例为 9:1）的混合物中，周围用冰和水包围，以防止过热和飞溅。然后，将6g KMnO₄逐渐加入到混合物中并搅拌30分钟，之后移除冰浴。为了了解温度和时间对 SG 氧化的影响，在不同时间和不同温度下搅拌混合物。为了研究H₂O₂剂量的影响并中和 KMnO₄，将 200 ml 去离子水和三种不同量的 H₂O₂ 添加到混合物中。然后，使用马弗炉在空气气氛下在 350°C 下 30 分钟将 1 g 生产的 GO 还原为石墨烯。

阴极浸出：

使用的浸出剂是来自 Hummer 合成法的废酸，pH 值为负。该酸是由石墨合成石墨烯后的副产品，由 10.10 g/L 钾、1.10 g/L 磷化物和 12.72 g/L 锰离子组成。对先前研究中使用的阴极进料进行了重新分析。其化学成分以重量百分比计含有0.26%铝(Al)、0.27%硅(Si)、0.78%钙(Ca)、2.51%铜(Cu)、1.95%镍(Ni)、2.60%锰(Mn)、6.01 % 的锂 (Li)，以及 47.81% 的钴 (Co)。

【图文摘取】

【主要结论】

废锂负极材料的潜在价值正在不断被发掘。采用改进的Hummers法将SG粉转化为GO。在对实验条件进行优化后，选择了酸化工艺来去除SG粉末中的杂质。最后通过热还原法制备了石墨烯。

X射线衍射分析表明，还原反应去除了石墨烯的大部分含氧官能团。FTIR表征表明，石墨烯样品表面的含氧基团被去除，其中rGO-PSG的峰比rGO-SG的峰更短，表明通过热还原具有良好的还原性能。用扫描电子显微镜对两种石墨烯样品进行了观察，表明rGO-SG比rGO-PSG具有更大的厚度，这是由于含氧官能团浓度较高所致。定量结果表明，rGO-SG和rGO-PSG的比表面积明显高于石墨，分别为191m²/g和183m²/g。4PP电导率测试表明，RGO-SG和RGO-PSG具有较高的电导率，分别为471 S/m和543 S/m，电子迁移率高于电池常用石墨的0.011 S/m。在270mAg⁻¹电流密度下，合成的石墨烯的首次放电容量分别为2225mAhg^-1和2010mAhg^-1。尽管施加的电流相等，但这表明与rGO-SG相比，rGO-PSG表现出更长的送电周期、更高的充电容量和延迟的放电起始。

用废酸作为不同阴极类型混合物的浸出剂，对其作为浸出剂的潜力进行了评价。废酸的这种利用提供了几个优点，包括消除与运输、储存和中和废酸相关的成本，回收进入Hummer工艺的大量锰(以KMnO₄的形式)，以及促进锂离子阴极金属的高效浸出过程。采用生命周期评价(LCA)方法分析了SG和PSG合成石墨烯的环境影响。生命周期评价结果表明，在化石燃料消耗、酸化、雾霾、全球变暖和臭氧消耗这五个指标中，电力消耗是影响最大的因素。本研究的创新之处在于利用可持续发展战略来解决物资短缺问题，促进可持续发展。Hummer方法的优化通过最大化碳含量和最小化结构缺陷进一步提高了石墨烯的质量。然而，必须承认这项研究的局限性，包括需要在全电池中进行进一步研究，以验证rGO-SG在电池应用中的潜在用途。此外，未来的研究应该探索废弃电池处理对环境的影响以及回收其他电池组件的可能性，以更全面地了解总体环境影响。