中文 EN

新闻资讯

NEWS CENTER

首页

2026

JMCA｜废旧锂离子电池电极协同资源化：阳极石墨衍生层状氧化石墨烯膜用于阴极浸出液中选择性回收锂

作者：

英文题目

Synergistic valorization of spent lithium-ion battery electrodes: anode graphite derived lamellar graphene oxide membranes for selective lithium recovery from cathode leachate

废旧锂离子电池电极协同资源化：阳极石墨衍生层状氧化石墨烯膜用于阴极浸出液中选择性回收锂

期刊信息

期刊名称：Journal of Materials Chemistry A

发表日期：2026年3月23日接收

DOI：10.1039/d6ta01119e

摘要内容

本研究提出了一种闭环回收范式，将废旧锂离子电池中的阳极石墨升级转化为高性能的氧化石墨烯-聚乙烯亚胺（GO-PEI）纳滤膜，用于从阴极浸出液中选择性回收锂。通过综合利用废旧阳极石墨中因循环锂化而扩大的层间距，成功制备出单层GO纳米片，并组装成具有尺寸筛分和强静电排斥双重筛分机制的层状膜。该膜在实现Li⁺*快渗透的同时，对Mg²⁺、Ni²⁺、Co²⁺、Mn²⁺等二价过渡金属离子形成强烈的动力学和能垒阻碍。优化后的膜在模拟阴极浸出液中实现了Li⁺/M²⁺选择性超过24000，其中Li⁺/Mn²⁺分离因子高达52856，同时保持与工业应用相关的锂通量。这项工作展示了低价值废石墨可被升级为先进分离材料，为关键电池金属的闭环回收提供了可持续、*的化学路径。

研究背景和意义

锂离子电池在电动汽车、储能和便携电子设备中广泛应用，但其使用寿命通常仅为3-8年，随着新能源车市场的快速扩张，废旧电池数量呈指数级增长。现有回收方案通常将阴极和阳极废料独立处理，阴极回收主要采用火法冶金、湿法冶金等方式，虽然能回收有价金属，但产生的浸出液需要复杂、高能耗的多步分离过程；而阳极石墨（占电池重量12-21%）往往被降级利用或直接焚烧，造成了高价值关键材料的巨大浪费。目前，基于膜分离的选择性离子回收技术因其*率、低能耗和环境友好性而备受关注，但大多数现有膜存在“选择性-渗透性权衡”问题。本研究创新性地提出将废旧阳极石墨升级为GO-PEI膜，用于处理阴极浸出液，实现了“以废治废”的闭环协同资源化，既提升了低价值废石墨的利用价值，又简化了阴极浸出液中锂的选择性回收流程。

实验步骤

废旧石墨经预处理后，采用改进的氧化-超声剥离法制备GO：准确称取2.0000 g预处理后的废旧石墨，加入液固比为60 mL/g的浓H₂SO₄和10 mL H₃PO₄，在冰水浴中搅拌分散并保持体系温度低于5°C，随后按10 g/g石墨的质量比缓慢加入KMnO₄，继续搅拌90分钟；将反应混合物转移至50°C恒温水浴中搅拌8小时，然后将反应液倒入过量去离子水中，滴加H₂O₂还原残留的高锰酸盐，静置12小时后离心洗涤至中性，最后用240 W细胞破碎仪超声剥离60分钟得到GO纳米片分散液。GO-PEI膜的制备：将GO分散液稀释至0.1 mg/mL，超声90分钟，6000 rpm离心10分钟获得均匀GO悬浮液；分别以0.15、0.3、0.6 g/m²的GO负载量在PES基膜上真空抽滤组装层状GO膜；然后配制2.0 wt%的PEI水溶液，通过旋涂法将PEI涂覆在GO膜表面，界面反应30分钟后用去离子水冲洗去除残留PEI，最后在60°C下干燥24小时得到GO-PEI复合膜。

主要结果和结论

通过XRD、FTIR、Raman、XPS、SEM、HRTEM和AFM等系统表征，证实了废旧石墨成功转化为单层GO纳米片，其(002)层间距从原始石墨的3.38 Å扩大到GO的8.02 Å。GO-PEI膜在湿态下的层间距为11.7 Å，与Li⁺的水合直径（7.6 Å）相匹配，而显著小于二价离子（Mg²⁺ 9.2 Å、Co²⁺ 8.9 Å、Ni²⁺ 8.7 Å、Mn²⁺ 8.8 Å）。在单盐体系中，GO(0.6)-PEI膜对Li⁺/Mn²⁺的选择性达到221.6；在模拟的LiNiCoMnO₂阴极浸出液（pH=2）中，Li⁺通量为0.070 mol m⁻² h⁻¹，而Co²⁺、Ni²⁺、Mn²⁺的通量低至10⁻⁶ mol m⁻² h⁻¹量级，Li⁺/M²⁺选择性超过24000。该膜打破了传统离子筛分膜的“选择性-渗透性权衡”，从浸出液中提取了超过90%的锂，最终得到的Li₂CO₃产品纯度超过99.9%。本研究证明了废旧阳极石墨可以升级为高性能分离材料，为废旧LIB电极的协同回收建立了新的闭环方法。

详细机理

GO-PEI膜实现*高Li⁺/M²⁺选择性的机理基于双重协同筛分效应。第一，尺寸排阻机制：GO-PEI膜在湿态下的层间距（11.7 Å）匹配Li⁺的水合直径（7.6 Å），允许Li⁺顺畅通过层间纳米通道；而水合直径更大的二价离子（8.7-9.2 Å）被狭窄通道物理阻挡，形成空间位阻。第二，静电排斥机制：PEI富含氨基，在酸性浸出液（pH=2）中质子化形成-NH₃⁺，使膜表面带强正电（zeta电位+77至+182 mV），对高价态的二价离子（+2）产生比一价Li⁺（+1）更强的Donnan排斥力。此外，活化能分析表明，Li⁺的渗透活化能（21.9 kJ/mol）显著低于二价离子（32.4-45.7 kJ/mol），说明二价离子需要克服更高的热力学能垒。在复杂的多离子浸出液中，高浓度的Li⁺和H⁺快速通过纳米通道，产生竞争性传输动力学，进一步阻碍了被静电排斥的二价离子的进入。因此，尺寸排阻、静电排斥和竞争性动力学三者协同作用，使GO-PEI膜在保持良好锂通量的同时实现了创纪录的Li⁺/M²⁺选择性。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/Zvr7O05VNdiFpmxB3quX2g