促进锂离子电池废石墨的环境可持续回收

这项最新研究发表在杂志上ACS可持续化学与工程揭示了通过生命周期评估(LCA)过程考虑环境足迹布局，石墨的可持续环境友好回收是可能的。

研究：基于生命周期评价的废旧锂离子电池石墨回收的环境影响图片来源:Eaum M/Shutterstock.com

锂离子电池(LIBs)由两个电极材料组成，其中Li+离子可逆地来回插入，为外部电路提供电力。亚博网站下载研究表明，lib的商业成功导致了添加了附加值最小的材料，如天然石墨。亚博网站下载

石墨的质量约占电动汽车电池重量的15- 20%，占电池经济价值的10%以上。

回收

先天的，回收利用似乎能带来明显的环境效益，如提高资源效率、减少碳排放和减少废物。由于电池回收操作，废石墨通常含有不需要的金属杂质（锂、铝、钴、铜、镍、铁和锰）、有机电解质和聚合物粘合剂。

选取9种锂离子电池阳极回收工艺及最具代表性的影响类别进行生命周期评价分析。图片来源:Rey, I et al.， Shutterstock.com

石墨回收/再生已经完成通过各种技术,如基于酸碱浸出过程的湿法冶金的方法(例如,使用酸盐酸或硫酸)或pyrometallurgical过程中石墨在1000°C以上的高温气化残留金属、金属氧化物、和绑定,修复石墨结构。

生命周期评估

生命周期评估（LCA）方法允许对回收作业的环境后果进行量化。生命周期评价可用于通过分析回收机制对全球变暖、臭氧层消耗潜力、生态毒性、富营养化或酸化等指标的贡献，建立电池的全面环境可持续性。

生命周期解释

使用OpenLCA程序和Ecoinvent 3.7数据集进行LCA研究。确定了处理100公斤石墨所需的材料和能量投入，其中1公斤再生石墨作为系统组件。这样就可以考虑不同的石墨回收率，根据不同的策略，回收率从40%到95%不等。

废锂离子电池石墨回收过程的全球升温潜能：（a）GWP值（单位：kg·CO）₂相当于1千克回收石墨从废锂中产生的排放量。在石墨烯煅烧过程中，废石墨升级为氧化石墨烯的影响也用黄色矩形表示，GWP为42.49 kg·CO₂当量·千克_{氧化石墨烯-}⁻¹．对于石墨烯的微波处理，影响因素包括将废石墨升级为氧化石墨(用蓝色矩形表示)。(b)相对有限₂每一个石墨循环过程所使用的电力、化学物质和水的贡献。(c)相对有限₂石墨回收过程中每一步的贡献。每个步骤的详细信息在支持信息中提供的流程图中，如图S1−S9所示。图片来源:Rey, I et al.， Shutterstock.com

除Fenton+浮选法给出的值明显较高外，GWP范围为0.53至9.76 kg CO₂当量千克_石墨^-1这清楚地表明，石墨回收程序在生态上是可行的，可以生产原始石墨。

火法冶金工艺

为了回收使用过的石墨，可以使用火法冶金方法。因为H的有效使用₂所以₄（仅8.9千克），小时₂O₂(0.9 kg)和电、空气加热的GWP较低，为2.56 kg。有限公司₂equiv.kg_石墨^-1（酚醛树脂乙醇溶液）用于再生石墨。令人惊讶的是，热解+浮选和煅烧+浸出操作的GWP值分别低至0.53和1.08 kg.CO₂equiv.kg_石墨^-1,分别。

大量惰性气体，如氩气，被用于火法冶金作业，导致富营养化、生态毒性、臭氧损耗、人类非致癌毒性和人类致癌毒性。

当石墨被升级回收为氧化石墨烯时，在回收废弃石墨的7种技术中，电力是5种技术的主要贡献者(平均贡献率为69%)，而化学物质的贡献率平均为94%。

电化学性能

经过50次0.1C充放电循环后，再生石墨的容量为377 mA h.g^-1保持了98.8%的初始产能。当循环速率增加到0.5C、1C和2C时，异常容量为320、285和265 mA h.g^-1已获得。这些发现可以用11.47 m的显著比表面积来解释²．

尽管石墨没有被用作储能设备，但石墨转化为石墨烯基纳米复合材料的升级循环是值得注意的。在此背景下，石墨烯的煅烧方法将石墨从废lib转化为氧化石墨、石墨烯，最后是氧化石墨烯铜复合材料。

未来的角度

目前正在努力防止水热处理中使用的强酸造成额外的环境损害。Markey等人在该框架中使用重量百分比为5%的硼酸作为浸出剂，对废弃锂离子电池中的石墨阳极进行更新循环。

基于改进H₂所以₄硫化—浸出法采用石墨与硫酸的比例为4:1而不是原来的1:1。图片来源:Rey, I et al.， Shutterstock.com

根据对未来环境计划和法规的研究，估计特别关注石墨回收，包括湿法冶金和火法冶金，需要修改以进一步降低环境损害。

目前，湿法冶金和火法冶金的结合似乎更具生态友好性，因为它在相关效应类别（如全球变暖、淡水毒性和人类毒性）中表现得更好。

因此，回收石墨是一个必不可少的过程。但是，应牢记环境限制。虽然选择并扩大了最环保的锂阳极技术，但科学家和工业界可能会受到基于生物质的碳的合理设计的激励。通过将这两个方向的发展结合起来，最终可以简化能源的可持续储存。

参考文献

Rey, I.， Vallejo, C.， Santiago, G.， Iturrondobeitia, M.， & Lizundia, E.(2021)。基于生命周期评价的废旧锂离子电池石墨回收的环境影响ACS可持续化学与工程, 14488 - 14501。https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssuschemeng.1c04938

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