採用廢舊鋰離子電池陰極回收材料製備空氣電極的方法與流程
2023-12-03 12:39:57
本發明屬於電化學儲能空氣電極製備相關技術領域，更具體地，涉及一種採用廢舊鋰離子電池陰極回收材料製備空氣電極的方法。
背景技術：
空氣電極是金屬空氣電池和再生燃料電池技術的關鍵部件，具有高體積能量比、運行電壓平穩、無毒、汙染小、結構簡單等優點，有較好的發展和應用前景。目前，空氣電極主要由催化活性粉末材料(貴金屬及其合金、過渡金屬氧化物等)、導電碳粉末材料以及高分子粘合材料等混合後，塗布於疏水碳紙等氣體擴散層上而製備。疏水的氣體擴散層可以吸入或者呼出空氣中的氧氣，而空氣電極在充電和放電時分別發生氧析出和氧還原反應，如在鹼性條件下：
催化活性材料需要具有良好的氧還原和氧析出雙功能催化活性，同時必須在析氧反應時有較好的耐腐蝕性質，因此，催化活性材料常常採用價格昂貴的鉑、銥等貴金屬，造成了空氣電極的製造成本一直居高不下，限制了空氣電極的大規模商業應用，尋求高性價比的催化劑一直是空氣電極研究的熱點之一。鎳、鈷等金屬氧化物粉末摻雜後在鹼性條件下可以表現出和貴金屬催化劑相當的催化活性，相對成本更低，是理想的貴金屬替代材料。然而，鎳和鈷等金屬的儲量並不大，且其納米文墨催化劑合成工藝複雜，擴大其原料來源和簡化製備工藝仍然是目前採用鎳鈷等金屬氧化物的空氣電極需要解決的問題。
技術實現要素：
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種採用廢舊鋰離子電池陰極回收材料製備空氣電極的方法，其基於空氣電極的催化活性材料的特點，提出了採用廢舊鋰離子電池的陰極來製備空氣電極的方法。本發明提供的採用廢舊鋰離子電池陰極回收材料製備空氣電極的方法由於採用廉價的廢舊鋰離子電池為原料來製備空氣電極，降低了空氣電極的製作成本，且製備工藝簡單，無汙染；同時，也為廢舊鋰離子電池的固廢汙染及回收過程中的二次汙染等問題提供了解決方案。
為實現上述目的，本發明提供了一種採用廢舊鋰離子電池陰極回收材料製備空氣電極的方法，其包括以下步驟：
(1)提供廢舊鋰離子電池，並將所述廢舊鋰離子電池的陰極拆解出來；
(2)分解及回收所述陰極的陰極活性材料，並將得到的所述陰極活性材料進行熱處理，所述陰極活性材料包括鎳、鈷、錳金屬氧化物；
(3)將熱處理後的所述陰極活性材料與有機溶劑混合後經超聲振蕩及機械振蕩處理以製成均勻的漿料；
(4)提供電極基板，保持所述電極基板在預定溫度下，通過氣刷將所述漿料噴塗到所述電極基板上以製備成空氣電極。
進一步的，所述陰極活性材料的熱處理溫度為600℃～900℃，熱處理時間為3～6小時。
進一步的，所述陰極通過強鹼溶解鋁箔或者有機溶劑溶解粘合劑來得到所述陰極活性材料。
進一步的，超聲振蕩處理的時間為10分鐘，機械振蕩處理的時間為12小時；所述超聲振蕩處理先於所述機械振蕩處理進行。
進一步的，所述預定溫度為80℃～110℃。
進一步的，所述電極基板為多孔的氣體擴散層。
進一步的，所述電極基板為碳紙。
進一步的，將熱處理後的所述陰極活性材料與有機溶劑混合後經超聲振蕩及機械振蕩處理以製成均勻的漿料的過程包括以下步驟：
(31)按照預定質量比稱取所述陰極活性材料、碳粉、預定體積比的重量百分比為60％的聚四氟乙烯水乳液、重量百分比為6.67％的聚全氟磺酸乙醇溶液及乙醇混合得到漿料；
(32)將所述漿料先後進行超聲振蕩及機械振蕩處理以製成均勻的漿料。
進一步的，所述陰極活性材料與所述碳粉的預定質量比為1:1。
進一步的，所述聚四氟乙烯水乳液與聚全氟磺酸乙醇溶液的預定體積比為1:500。
總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，本發明提供的採用廢舊鋰離子電池陰極回收材料製備空氣電極的方法，其採用廉價的廢舊鋰離子電池為原料來製備空氣電極，降低了空氣電極的製作成本，且製備工藝簡單，無汙染；同時，也為廢舊鋰離子電池的固廢汙染及回收過程中的二次汙染等問題提供了解決方案。
附圖說明
圖1是本發明較佳實施方式提供的採用廢舊鋰離子電池陰極回收材料製備空氣電極的方法的流程示意圖。
圖2是利用圖1中的採用廢舊鋰離子電池陰極回收材料製備空氣電極的方法製成的空氣電極的結構示意圖。
圖3是圖1中的採用廢舊鋰離子電池陰極回收材料製備空氣電極的方法涉及的陰極活性材料的氧還原反應的測試曲線圖。
圖4是圖1中的採用廢舊鋰離子電池陰極回收材料製備空氣電極的方法涉及的陰極活性材料的電子轉移數曲線圖。
圖5是圖1中的採用廢舊鋰離子電池陰極回收材料製備空氣電極的方法涉及的陰極活性材料的析氧反應的測試曲線圖。
圖6是採用圖1中的採用廢舊鋰離子電池陰極回收材料製備空氣電極的方法製成的空氣電極製備的鋅空氣電池的測試曲線圖。
圖7是圖6中的鋅空氣電池的充放電測試曲線圖。
在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1-電極基板，2-陰極活性材料層，10-空氣電極。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
請參閱圖1至圖2，本發明較佳實施方式提供的採用廢舊鋰離子電池陰極回收材料製備空氣電極的方法，其由於採用廉價的回收材料，且製備工藝簡單，降低了空氣電極的製作成本；同時，也提供了一種短流程、清潔環保、高值化的廢舊鋰離子電池材料的回收方法，有利於解決廢舊鋰離子電池的固廢汙染及回收過程中的二次汙染等問題。
本實施方式中，所述採用廢舊鋰離子電池陰極回收材料製備空氣電極的方法主要包括以下步驟：
步驟一，提供廢舊鋰離子電池，並將所述廢舊鋰離子電池的陰極拆解出來。具體地，提供所述廢舊鋰離子電池，將所述廢舊鋰離子電池進行放電，然後將所述廢舊鋰離子電池從一側拆開，以將所述廢舊鋰離子電池的陰極拆解出來。
步驟二，分解及回收所述廢舊鋰離子電池的陰極活性材料，並將得到的陰極活性材料進行熱處理。具體地，將所述陰極通過強鹼溶解鋁箔或者有機溶液溶解粘合劑將陰極活性材料進行分解及回收，再將所述陰極活性材料在600℃～900℃下熱處理3～6小時，使所述陰極活性材料具備較好的氧還原反應和氧析出反應的催化活性。優選的，所述陰極活性材料的熱處理溫度為600℃，熱處理時間為5小時。本實施方式中，將所述陰極通過濃度為1摩爾每升的氫氧化鈉鹼浸以得到所述廢舊鋰離子電池的陰極活性材料；所述陰極活性材料主要包括鎳、鈷、錳金屬氧化物。
步驟三，將熱處理後的所述陰極活性材料與有機溶劑混合後經超聲振蕩及機械振蕩處理以製成均勻的漿料。具體地，按照預定質量比稱取所述陰極活性材料、碳粉、預定體積的重量百分比為60％的聚四氟乙烯水乳液、重量百分比為6.67％的聚全氟磺酸乙醇溶液及乙醇混合得到漿料，將所述漿料先後進行預定時間的超聲振蕩及機械振蕩處理以製成均勻的漿料。
本實施方式中，所述陰極活性材料及所述碳粉質量分別為150毫克、150毫克；所述聚四氟乙烯水乳液與聚全氟磺酸乙醇溶液的預定體積比為1:500，兩者的預定體積分別為9.75微升及5毫升；可以理解，在其其他實施方式中，所述陰極活性材料與所述碳粉的預定質量比可以為其他數值，如3:1。超聲振蕩處理的預定時間為10分鐘，機械振蕩處理的預定時間為12小時。
步驟四，提供電極基板，保持所述電極基板在預定溫度下，通過氣刷將所述漿料噴塗到所述電極基板上以製備成空氣電極。具體地，提供一個電極基板1，將所述電極基板1保持在80℃～110℃下，通過氣刷將所述漿料噴塗到所述電極基板1上形成陰極活性材料層2，進而形成空氣電極10。本實施方式中，所述陰極活性材料層2的負載當量為2毫克每平方釐米；所述電極基板1為多孔的氣體擴散層，優選地，所述電極基板1為5X5㎝的碳紙。
可以理解，在其他實施方式中，鹼浸可用氫氧化鉀溶液等，溶解粘合劑的所述有機溶劑還可為N-甲基丙咯烷酮、二甲基乙醯胺等，所述電極基板可為石墨等。
圖3所示為所述陰極活性材料在600℃下熱處理5小時後，其與濃度為1摩爾每升的氫氧化鉀溶液進行氧化還原反應的測試曲線，所述陰極活性材料的極限電流密度達到1.01mA.cm-2，半峰電位為-0.394V。
圖4所示為所述陰極活性材料在600℃下熱處理5小時後進行測試的電子轉移曲線，所述陰極活性材料的盤電流極限電流密度可達1.01mA.cm-2，環電流極限電流密度為0.03mA.cm-2。根據公式(收集率N＝0.37)計算獲得氧還原反應的電子轉移數約為3.55。
圖5所示為所述陰極活性材料在600℃下熱處理5小時後在30℃的溫度下進行的析氧反應的曲線，所述陰極活性材料的起峰電位為+0.231伏。
圖6所示為採用本發明所提供的採用廢舊鋰離子電池陰極回收材料製備空氣電極的方法製備的空氣電極來製成的鋅空氣電池的性能曲線，所述鋅空氣電池的開路電位在1.3V左右，其在電壓為0.49V和電流密度為74.45mA cm-2條件下，功率密度達到峰值36.68mW cm-2。
圖7所示為採用本發明所提供的採用廢舊鋰離子電池陰極回收材料製備空氣電極的方法製備的空氣電極來製成的鋅空氣電池的充放電曲線，所述鋅空氣電池的能量效率在80％左右。
本發明提供的採用廢舊鋰離子電池陰極回收材料製備空氣電極的方法，其採用廉價的廢舊鋰離子電池為原料來製備空氣電極，降低了空氣電極的製作成本，且製備工藝簡單，無汙染；同時，也為廢舊鋰離子電池的固廢汙染及回收過程中的二次汙染等問題提供了解決方案。
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。