有機(jī)溶劑浸泡法回收再利用鋰離子電池鈦酸鋰負(fù)極材料*

張千玉，李 博，康詩(shī)飛，秦恒飛，方 遙，李 溪

（復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，上海 200433）

有機(jī)溶劑浸泡法回收再利用鋰離子電池鈦酸鋰負(fù)極材料*

張千玉，李 博，康詩(shī)飛，秦恒飛，方 遙，李 溪?

（復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，上海 200433）

利用有機(jī)溶劑法回收了廢舊鋰離子電池中的鈦酸鋰負(fù)極材料，并對(duì)回收的鈦酸鋰材料的結(jié)構(gòu)、形貌和電化學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。XRD結(jié)果表明，材料除炭后添加適量鋰源進(jìn)一步合成得到的產(chǎn)物具有尖晶石結(jié)構(gòu)，且不含其他的雜質(zhì)。SEM 圖像顯示，其顆粒分布均勻、無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象。EIS結(jié)果表明，最終回收的鈦酸鋰電極材料比未添加鋰源進(jìn)行煅燒處理的材料具有較小的電荷轉(zhuǎn)移阻抗和較高的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)。在0.1 C倍率下，經(jīng)過100次循環(huán)后其容量保持率為92.4%，具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和可逆性，可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

廢舊鋰離子電池；鈦酸鋰；回收

0 引 言

鈦酸鋰（Li4Ti5O12, LTO）由于具有較高的理論比容量、優(yōu)異的循環(huán)性能及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，有望成為綠色能源動(dòng)力鋰離子電池的理想負(fù)極材料[1]。但是，隨著鋰離子電池的大量使用，將會(huì)產(chǎn)生數(shù)以萬(wàn)噸計(jì)的失效廢電池。如果不進(jìn)行合理的回收利用，不僅會(huì)造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響[2]。目前對(duì)廢舊鋰離子電池的回收及再利用的研究比較少，本文主要針對(duì)LTO負(fù)極片的回收利用進(jìn)行研究，并對(duì)回收后的材料的顆粒的結(jié)構(gòu)、形貌及電化學(xué)性能進(jìn)行分析探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)所選用的廢舊電池是在 0.1 C倍率下經(jīng)過100次恒流充放電后的鋰離子電池。負(fù)極材料中LTO活性物質(zhì)、乙炔黑導(dǎo)電劑及PVDF粘結(jié)劑的質(zhì)量比為8∶1∶1。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

X射線衍射儀（XRD）采用日本Rigaku（理學(xué)）公司 Rigaku D/MAX-2550VB/PC型對(duì)處理前后的LTO樣品進(jìn)行物相測(cè)定，輻射源為Cu-Kα靶，電壓為40 kV，電流為200 mA，掃描速度為0.02°/min，衍射角的掃描范圍（2θ）為10°～80°。掃描電子顯微鏡（SEM）采用荷蘭Philips公司的XL-30來(lái)表征樣品的形貌、顆粒大小及分布等信息。CV及 EIS測(cè)試在CHI 600E型電化學(xué)工作站（上海辰華儀器有限公司）上進(jìn)行，掃描頻率范圍為100 kHz～10 mHz，電位波幅為 ± 5 mV。管式爐為合肥科晶材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)的GL110X型。

1.3 廢舊鋰離子電池的拆解

在通風(fēng)櫥中用鉗子將廢舊鈦酸鋰電池的蓋片掀開，將鋰片取出，放入專門收集鋰片的廣口瓶?jī)?nèi)。為防止電解液中的 LiPF6遇到空氣中的水發(fā)生反應(yīng)生成 HF氣體、對(duì)環(huán)境造成污染，立即將其余部分置于盛有純凈水的燒杯中。其中隔膜、蓋片和墊片可以直接回收，負(fù)極片置于無(wú)水乙醇中浸漬30 min，然后進(jìn)行超聲震蕩，使負(fù)極材料與鋁箔分離，其中的鋁箔可以通過熔煉實(shí)現(xiàn)單獨(dú)回收。

1.4 負(fù)極活性物質(zhì)的分離過程

上述電池拆解得到的負(fù)極材料中含有LTO、乙炔黑和PVDF，將其烘干后，用NMP浸泡2～3 h，去除其中的 PVDF。處理后的混合物中含有 LTO和乙炔黑，將其放置于管式爐中空氣氣氛下、于200℃熱處理2 h，除去其中的乙炔黑導(dǎo)電劑，然后通過加入鋰源或鈦源以調(diào)節(jié)Li與Ti的摩爾比。根據(jù)反復(fù)實(shí)驗(yàn)可知，通常情況下加入0.1 g Li2CO3作為鋰源或0.2 g TiO2作為鈦源。直接在空氣氣氛中、于800℃下煅燒10 h，得到最終產(chǎn)物L(fēng)TO負(fù)極材料。整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 物理性能

對(duì)回收得到的產(chǎn)物進(jìn)行XRD測(cè)試，根據(jù)分析結(jié)果添加適量的鋰源或鈦源進(jìn)一步合成，以制得純LTO材料進(jìn)行循環(huán)再利用。圖2為在不同條件下處理得到的LTO的XRD譜圖。

圖2是用不同處理方法得到的活性物質(zhì)的XRD譜圖。其中A是廢舊電池中的活性材料，B是經(jīng)過再次合成后的LTO負(fù)極材料。從圖中可以看出，用兩種方式處理得到的 XRD譜圖的衍射峰位置與尖晶石型LTO的標(biāo)準(zhǔn)圖譜一致，但是A產(chǎn)物中含有少量的TiO2雜質(zhì)相。說(shuō)明在熱處理除炭的過程中，有少量的鋰損失。而經(jīng)過添加適量鋰源以補(bǔ)充損失的鋰及高溫煅燒時(shí)的揮發(fā)，在空氣氣氛中、800℃下繼續(xù)煅燒才能得到試驗(yàn)所需的LTO活性物質(zhì)，以達(dá)到回收再利用的目的。

圖2 用不同處理方法得到的回收產(chǎn)物的XRD譜圖Fig. 2 XRD patterns of recycled productions by different methods

2.2 形貌分析

圖3是最終得到的LTO活性物質(zhì)的SEM圖像。從圖3可看出：（1）將回收產(chǎn)物繼續(xù)處理，除炭后顆粒表面相對(duì)光滑，但仍有少量雜質(zhì)相。根據(jù)上面的XRD結(jié)果分析可知，雜質(zhì)應(yīng)為TiO2。（2）向產(chǎn)物中添加適量的鋰源后，繼續(xù)在空氣氣氛中、800℃下煅燒，得到純LTO。顆粒分布均勻，無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖3 (a) 經(jīng)過除炭后得到的活性物質(zhì)；(b) 添加適量鋰源后繼續(xù)高溫煅燒得到的活性物質(zhì)Fig. 3 (a) Active material obtained after removing the carbon way; (b) Active material prepared by sintering at high temperature after adding appreciate lithium source

2.3 電化學(xué)性能

2.3.1 交流阻抗測(cè)試

圖4為回收所得產(chǎn)物組裝的扣式電池的交流阻抗譜。其中A為除炭后未加鋰源的產(chǎn)物；B為添加適量鋰源進(jìn)一步在空氣氣氛下煅燒后得到的產(chǎn)物。圖4中的交流阻抗譜是由高頻區(qū)的半圓和低頻區(qū)的斜線兩部分構(gòu)成，其中高頻區(qū)的半圓代表電荷轉(zhuǎn)移阻抗，低頻區(qū)的直線代表Li+擴(kuò)散引起的阻抗[3]。由阻抗譜可以明顯看出，經(jīng)過添加適量鋰源進(jìn)一步處理得到的LTO比除炭后未處理的產(chǎn)物的電荷轉(zhuǎn)移阻抗要小得多，表明B比A的電子電導(dǎo)率高。另外，從低頻區(qū)直線的斜率可以看出，斜率越大，鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)也就越大。因此，B比A的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)大，說(shuō)明離子導(dǎo)電率也較高。由于除炭后的產(chǎn)物中含有少量的TiO2，使LTO電極材料的導(dǎo)電性變差。對(duì)除炭后的活性物質(zhì)添加適量鋰源進(jìn)一步處理可以提高產(chǎn)物的純度，從而使其電子和離子電導(dǎo)率均得到提高。

圖4 回收得到產(chǎn)物的交流阻抗譜Fig. 4 EIS curves of recycled LTO as anode materials

2.3.2 循環(huán)伏安（CV）測(cè)試

圖5是A與B的CV曲線，所用的對(duì)電極和參比電極為本實(shí)驗(yàn)回收得到的鋰片，測(cè)試的電壓范圍為1.0～2.5 V，掃描速率為1 mV/s。由圖5可以看出，經(jīng)過再次熱處理后回收得到的LTO材料所制備電極的CV曲線，其氧化-還原峰非常尖銳且對(duì)稱，基線比較平緩，說(shuō)明最終得到的材料的結(jié)晶性良好。相比于A，B曲線的氧化-還原峰電位差較小，說(shuō)明樣品制備電極的極化程度較小，具有較好的電極動(dòng)力學(xué)。

圖5 最終回收產(chǎn)物的循環(huán)伏安曲線Fig. 5 CV curves of the final electrode material of recycled waste lithium-ion batteries

2.4 循環(huán)性能

以LTO為活性材料組裝成半電池，將電池在不同倍率下進(jìn)行充放電循環(huán)測(cè)試。圖6為在不同階段下回收的LTO材料在不同倍率下的循環(huán)性能曲線。由圖可知，最終回收得到的LTO材料（B）在0.1 C、0.5 C、1 C和2 C倍率下的放電比容量依次分別為169.6 (mA·h)/g、165.1 (mA·h)/g、160.5 (mA·h)/g、155.4 (mA·h)/g，均高于未經(jīng)過熱處理后得到的LTO材料（A）。當(dāng)充放電倍率重新返回0.1 C時(shí)，放電比容量仍能回到169.5 (mA·h)/g，說(shuō)明經(jīng)過再次處理后回收得到的LTO材料具有更好的倍率性能和循環(huán)可逆性。

圖6 不同階段回收得到的LTO材料在不同倍率下的循環(huán)性能曲線Fig. 6 Cyclic performance of LTO obtained by recycling waste batteries under different stages at various current rates

3 結(jié) 論

本文采用有機(jī)溶劑浸泡法實(shí)現(xiàn)了LTO負(fù)極材料的回收利用，通過對(duì)材料的結(jié)構(gòu)、形貌及電化學(xué)性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，除炭后通過加入適量的鋰源，再經(jīng)過高溫煅燒合成后，可以得到純LTO材料。最終回收得到的LTO材料的結(jié)構(gòu)為立方尖晶石型，且不含其他雜質(zhì)，其顆粒分布均勻，無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象，電極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性及可逆性。因此，通過這種方法得到的鋰離子電池負(fù)極材料可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用。

[1] Zhang Q Y, Zhang C L, Li B, et al. Preparation and Electrochemical properties of Ca-Doped Li4Ti5O12as Anode materials in Lithium-Ion Battery[J]. Electrochim. Acta, 2013, 98: 146-152.

[2] Zhang Q Y. The Current Status on the Recycling of Lead-acid Batteries in China[J]. Int. J. Electrochem. Sci., 2013, 8: 6457-6466.

[3] Wolfenstine J, Allen J L. Electrical conductivity and charge compensation in Ta doped Li4Ti5O12[J]. J. Power Sources, 2008, 180(1): 582-585.

Recycling and Reuse the Li4Ti5O12Anode Material of Lithium-ion Battery through an Organic Solvent Immersion Method

ZHANG Qian-Yu, LI Bo, KANG Shi-fei, QIN Heng-fei, FANG Yao, LI Xi
(Department of Environmental Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, China)

The waste lithium-ion batteries were recycled by an organic solvent immersion method. The structure, morphology and electrochemical performance of the recycled Li4Ti5O12(LTO) were characterized. The recycled LTO was then used as anode material for lithium-ion battery. XRD results revealed that the material, which was synthesized by adding appreciate amount of lithium source, was pure and possessed a spinel structure. SEM images exhibited that the final recycled powder has a uniform particle distribution without agglomeration. EIS results demonstrated that the electrode material obtained by sintering after removing the carbon away has smaller charge transfer resistance and higher lithium ion diffusion coefficient than the material without adding lithium resource. Moreover, at 0.1 C rate after 100 cycles, its capacity remained at 92.4%, exhibited better cyclic stability and reversibility, which can be reused as anode material for lithium-ion battery.

waste lithium-ion batteries; Li4Ti5O12; recycling

TK01

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.05.013

2095-560X（2014）05-0403-04

張千玉（1983-），男，博士，加州大學(xué)圣迭戈分校訪問學(xué)者，主要從事鋰離子電池材料及其回收再利用的研究。

2014-05-05

2014-08-01

國(guó)家自然科學(xué)基金（61171008）；上海浦江人才計(jì)劃項(xiàng)目（09PJ1401400）；復(fù)旦大學(xué)博士短期國(guó)際訪學(xué)項(xiàng)目及復(fù)旦大學(xué)第十三批研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（EZH1829383/001）

? 通信作者：李 溪，E-mail：xi_li@fudan.edu.cn

李 溪（1963-），男，教授，國(guó)家千人計(jì)劃入選者，主要從事鋰離子電池材料、環(huán)境催化及氣溶膠團(tuán)簇性能研究。