废旧三元锂离子电池中炭黑的回收利用及性能研究

废旧三元锂离子电池中炭黑的回收利用及性能研究

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【论文链接】

【作者单位】

常州大学；桂林理工大学；诺桑比亚大学

抽象的

废旧三元锂离子电池中可以回收大量高价值的过渡金属组分，本研究利用废旧锂镍锰钴（NCM）氧化物正极材料化学回收过程中产生的浸出废料中得到的导电剂炭黑，制造出有价值的氧还原反应和氧析出反应（ORR/OER）双功能催化剂，并通过简单的冷等离子体活化方法将其推广为锂电池循环经济的一部分。

由于炭黑的氮掺杂和表面金属氧化物的活化，活化的导电剂（RCA-30）在0.1 mol L-1 KOH溶液中的ORR半波电位为0.74V（vs.RHE），在10 mA cm-2时OER过电位为360 mV。将活化的催化剂结合在阴极的完整锌空气电池的开路电位高达1.48 V，在5 mA cm-2的电流密度下继续循环100小时。此外，活化催化剂的功率密度为92 mW cm-2，满放电容量为640 mAh g-1。

【实验方法】

废旧三元正极材料回收利用：

将废旧三元锂离子电池在0.5 mol L-1 NaCl溶液中放电24 h后在通风橱中手动分解直接得到正极材料。随后将正极材料加热至400 ℃以分解正极中的有机粘结剂并将NCM-粉末与铝箔基底分离。将5 g粉末分散在250 ml 1 mol L-1硫酸溶液中，在50 ℃下加入6 ml 2 vol%过氧化氢，搅拌50 min。浸出回收锂、镍、钴和锰元素的方法基于我们以前的工作。将浸出渣分离并在60 ℃下干燥8 h，得到回收的导电剂RCA。

将这些粉末放入充满纯氮的密封容器中，在100 Pa的低压下进行处理。用特斯拉线圈激发容器内的冷等离子体，分别对RCA进行15 min和30 min的处理，标记为RCA-15和RCA-30。作为参考，原始SP也以同样的方式进行处理，处理15 min和30 min的样品标记为SP-15和SP-30。整个过程如图1所示。

【图片摘录】

【主要结论】

浸出废液（回收的导电剂）在废旧NCM-LIBs化学回收过程中实现增值，低压氮冷等离子体轰击可实现碳骨架的氮掺杂，通过减小表面金属氧化物的尺寸，暴露更多的活性中心，活化表面剩余的金属氧化物（含镍及少量钴、锰元素），使其成为高效的ORR/OER双功能电催化剂。

RCA-30 催化剂在 ZABS 中使用时，在电流密度为 5 mA cm-2 时功率密度高达 92 mW cm-2，循环时间长达 100 小时，并优化了倍率性能和比容量。在未来的工作中，当镍、钴和锰可以与氮一起掺杂到碳骨架中时，RCA 的催化性能有望得到增强。氮冷等离子体处理可以快速批量处理 RCA，以制备低成本的双功能催化剂，这为废旧 LIBs 材料在金属空气电池、水分解、燃料电池和超级电容器中的应用提供了一种有吸引力的方法。

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