CAT蓄电池从废旧电池废弃物中回收碳纳米材料用于增强水泥基复合材料
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卡特蓄电池 发布时间：2026-03-10 20:33:52 点击： 次
图文摘要
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引言
废旧电池回收利用可节约资源、减轻环境污染，并促进循环经济发展（Kang等，2023；Ma等，2024；Muñoz García等，2025）。随着消费电子产品和便携设备需求的快速增长，近年来全球电池消耗量激增，导致必须有效管理的废电池数量持续增加（Dam等，2025；Jo等，2025；Li等，2025；Nguyen等，2025a，2025b）。在不同电池化学体系中，锌碳（Zn-C）电池仍然是全球历史最悠久、应用最广泛的一次电池之一，尤其常见于低成本及家用领域（Maryam Sadeghi等，2020；Thakur等，2024）。其相对简单的结构和材料组成使其成为资源回收的理想研究对象。通常，负极采用兼作外壳的金属锌，而正极主要由二氧化锰与导电碳粉（如乙炔黑或石墨）混合构成（Maryam Sadeghi等，2020；Thakur等，2024）。中央石墨棒凭借其高导电性和化学稳定性充当集流体（Maryam Sadeghi等，2020）。电解液通常为氯化铵和氯化锌的水溶液，并以纸质材料作为隔膜（Thakur等，2024）。这些多样化组件共同为循环利用和价值提升提供了多重路径。
尽管存在这些机遇，锌碳电池的大规模回收体系仍不完善。许多地区特别是发展中国家缺乏规范的收集与管理系统，导致多数废电池随城市生活垃圾一同被丢弃（Calin等，2021；Mahandra等，2018）。不当处置（尤其是填埋）会引发严重的环境危害，锌、锰及微量汞、铅、镉等重金属可能渗入土壤和地下水。此类污染不仅破坏生态系统、降低生物多样性，还会在食物链中富集，对人类健康构成长期威胁（Florez等，2024；Kang等，2023）。回收工艺本身也面临额外挑战：尽管湿法冶金路线比火法冶金能耗更低，但会产生大量需处理的液态废料（Maryam Sadeghi等，2020；Muñoz García等，2025；Rezaei等，2025）。火法冶金虽然适用于工业规模加工，但其能耗极高、碳密集性强，且会释放有毒气体和粉尘，必须配备昂贵的排放控制系统（Maryam Sadeghi等，2020；Rezaei等，2025）。
在产品质量与经济可行性方面还存在额外挑战。不同类型电池的混合回收常导致交叉污染，降低回收材料的纯度，而不同制造商及生产年份的成分差异进一步增加了工艺优化难度（Baum等，2022；Kang等，2023）。此外，锌与锰相对较低的市场价值往往使得锌碳电池回收在经济上缺乏吸引力，除非获得补贴或政策激励支持。这些局限性凸显了需要优先考虑高价值组分而非大宗金属回收的替代性增值策略。碳质残留物（如石墨和导电碳）提供了极具前景的机遇。这些碳材料可通过升级再造转化为再生石墨烯（G）和再生炭黑（CB），而非直接废弃处理——两者均属于具有可持续应用潜力的功能性材料（Vuong et al., 2024a, 2024b）。
近期研究表明，碳基添加剂可显著提升混凝土性能（Gao等，2024；Rahman等，2022）。炭黑作为一种低成本碳纳米材料，兼具微填充与成核作用。凭借其高比表面积和纳米颗粒形貌，炭黑不仅能提高堆积密度（Klyuev等，2024；Zhang等，2022a），还能为水泥水化产物的生长与沉积提供成核位点（Du等，2020；Taylor，1997）。其填充效应还能降低毛细管作用，从而减少水泥基材料的渗透性（Monteiro等，2017）。与此同时，石墨烯具有卓越的机械刚度、高导电性和超大比表面积。这些特性使其既能作为C-S-H形成的成核基底，又可改善水泥基体中的荷载传递（Ho等，2020；Lin和Du，2020）。其二维形态结构能够实现纳米尺度的裂纹桥接（crack-bridging），并促进水化产物的连续性形成，从而显著提升强度、韧性和耐久性等性能指标（Wei等，2024）。由于石墨烯具有高度非氧化性和疏水性特征，其与水泥孔隙溶液的相互作用主要通过物理机制而非化学反应实现（Tran等，2024a）。这一特性虽限制了其在水中的分散性，但在实现充分分散的条件下，可构建稳定的碳骨架结构，从而产生显著的力学增强效应。分散技术的最新进展，特别是基于聚羧酸盐高效减水剂（PCE）的应用，重新激发了石墨烯作为混凝土添加剂的研发兴趣（Anwar et al., 2025a; Fonseka et al., 2024; Pei et al., 2024）。尽管研究已取得进展，但石墨烯与炭黑在水泥基材料中的应用研究仍显不足，特别是在力学性能、微观结构影响及内在增强机制方面的探索仍存在局限。为应对性能提升与废弃物管理的双重挑战，这些材料可通过化学和物理方法从废旧电池中回收，为水泥基应用提供潜在丰富且低成本的原料来源；然而这一机遇尚未得到系统研究。为填补跨链桥这一空白，本研究提出一种简化回收工艺，从废旧电池中提取石墨烯（G）与炭黑（CB），并评估其作为功能性添加剂在水泥基体系中的适用性。
在此背景下，从废锌碳电池中回收利用石墨(G)和炭黑(CB)呈现三重效益：(1)减轻电池废弃物的环境负担，(2)提升回收过程的经济可行性，(3)增强水泥基材料的性能。本研究展示了利用废电池生产这些添加剂的回收工艺，并系统考察了其对水泥浆体微观结构和力学性能的影响。本工作旨在为电池衍生残渣在建筑材料中的可持续再利用提供新思路，从而将废弃物管理与绿色建筑实践有机结合。
