山东理工大学张亚莉副教授及其同事近日在Journal of Power Sources上发表了一种回收商业锂离子电池负极材料(石墨/铜箔)的电化学方法。此法通过析氢反应,将石墨与铜箔剥离,“一石二鸟”地回收石墨及铜箔。
【技术原理】
将使用过的锂离子电池负极(连同铜箔集流体)连至电解槽负极,石墨片连至电解槽正极(图1a)。通过向电解槽中水溶液施加高电压电解水。负极铜箔上产生氢气气泡,使得铜箔和石墨材料层发生剥离(图1b)。同时,存在于石墨中的Li+在电解液浸泡过程中不断扩散出。最终获得铜箔和几乎不含Li+的石墨层(含PVDF粘结剂)。图1. 回收(a)装置和(b)原理示意图。图源:J. Power Sources。
【最优技术参数】
经多组实验对比,作者们确立了如下最优技术参数:·负极质量:1.5 g·电解液:2.0 g/L Na2SO4水溶液 1.5 L·施加电压:30 V·电解时间:约25分钟·正负极间距:10 cm
【产物分析】
SEM显示回收所得铜箔表面平整(图2a),无残留颗粒物,说明石墨颗粒剥离干净。XRD表明铜箔除部分氧化形成CuO外,并未探测到残留石墨(图2b)。另一方面,回收的石墨因粘合剂PVDF存在而呈块状(图2c)。石墨和PVDF成分亦通过XRD进行了验证(图2d)。图2. 回收所得(a、c)铜箔和(b、d)石墨颗粒形貌及对应XRD谱图。图源:J. Power Sources。 考虑实验条件和所用材料成本后,作者估算出本文报道的方法每处理1 g锂离子电池负极材料,可获利约10美元(表1)。表1. 经济效益评估;来源:J. Power Sources。