利用锂电池废旧负极石墨制备石墨烯的方法和石墨烯

摘要

本发明属于回收处理废旧锂电池材料的技术领域，公开了一种利用锂电池废旧负极石墨制备石墨烯的方法和石墨烯，该方法包括以下步骤：(1)将废旧电池中回收的石墨粉夹装于导电网中，接入直流电源的阳极；(2)将电解槽中的电解质加热至熔融，保温，将所述直流电源的阳极、阴极浸入电解质中，静置，打开直流电源进行电解，得到电解石墨；(3)取出电解石墨，进行洗涤、超声分散、离心，干燥，即得石墨烯。本发明通过限域的方式将废旧负极石墨粉夹装于导电丝网中，该方式可以固定负极石墨，省去了将废旧负极石墨粉制备为石墨块体再进行后续电解的步骤，简化工艺。

说明书

技术领域

本发明属于回收处理废旧锂电池材料的技术领域，具体涉及一种利用锂电池废旧负极石墨制备石墨烯的方法和石墨烯。

背景技术

锂离子电池已经上市近30年，从便携式电子设备发展到动力装置，其产品影响着人们生产、生活的方方面面。在锂离子电池迅速发展的同时，电池退役问题备受电池、设备厂商关注。由于锂离子电池负极材料的价值较低，其回收及再利用方面一直未被重点关注。因而，将废旧负极石墨高附加值化，是实现资源再生与经济效益双赢的关键。石墨烯作为一种新型纳米碳材料，因其优异的光、电、热等优异特性，具有巨大的市场应用价值。但其成本、质量成为限制其进一步发展的关键因素。因而，从废旧负极石墨到石墨烯，可同时解决废旧负极的回收、石墨烯低成本制备的问题。对于相关技术，公开了一种废旧锂离子电池负极材料资源化的方法。该方法将废旧锂离子电池负极石墨材料浸在含有一定浓度H

因此，亟需研发一种结合现有的废旧锂离子电池拆解工艺，并根据回收的废旧负极石墨的特点进行开发制备石墨烯的方法。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种利用锂电池废旧负极石墨制备石墨烯的方法和石墨烯，该方法实现了锂离子电池中废旧负极石墨由废料到“黑金”的转化，且废旧锂离子电池负极石墨的回收率大于80％，废旧负极石墨到石墨烯的转化率大于99％。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用锂电池废旧负极石墨制备石墨烯的方法，包括以下步骤：

(1)将废旧电池中回收的石墨粉夹装于导电丝网中，接入直流电源的阳极；

(2)将电解槽中的电解质加热至熔融，保温，将所述直流电源的阳极、阴极浸入电解质中，静置，打开直流电源进行电解，得到电解石墨；

(3)取出电解石墨，进行洗涤、超声分散、离心、干燥，即得所述石墨烯；步骤(2)中，所述电解质为硫酸型铵盐。

优选地，步骤(3)中，还包括同时将离心分级所得电解渣重新夹装于导电丝网中，再次进行电解，在循环过程中，导电丝网可以重复使用。

锂离子电池中的负极石墨经过无数次的循环充放电后，石墨层间距被逐渐扩大，有利于插层化合物进入石墨层间。此外，负极石墨在拆解过程中残留金属杂质(铝、铜等)及金属化合物(镍、钴、锰等)可提高废旧负极石墨的电导性。根据废旧负极石墨的上述特性，本发明开发出限域-熔盐电解制备石墨烯的方法，电解后，废旧负极石墨中的金属杂质在阴极富集，纯化了阳极电解的石墨烯。

优选地，步骤(1)中，所述导电丝网为钼丝网、钛丝网、合金丝网或聚吡咯丝织网中的一种。

更优选地，所述导电丝网的目数大等于石墨粉的目数。

优选地，步骤(2)中，所述阴极为惰性电极，所述惰性电极的材料为铂、金、钛、钛合金或钨中的一种。

优选地，步骤(2)中，所述硫酸型铵盐为硫酸铵、硫酸氢铵、亚硫酸酸铵中的至少一种。

电解质中的阴离子移向阳极，放出电子，发生氧化作用，该过程是阳极石墨进行插层剥离的关键。采用硫酸类铵盐的原因是该类电解质可以电离出硫酸根离子。SO

优选地，步骤(2)中，所述加热至熔融的温度为100℃-500℃，保温的时间为5-120min。

优选地，步骤(2)中，所述静置的时间为20-40min。

优选地，步骤(2)中，所述电解的过程中，电流为1-150A，电压为1-300V；所述电解的时间为5-120min。

优选地，步骤(3)中，所述洗涤的是采用去离子水进行洗涤，洗至pH为中性。

优选地，步骤(3)中，所述超声分散的功率为600-1200W，超声分散的时间为20-40min。

优选地，步骤(3)中，所述离心的转速为1800-2500rmp，离心的时间为1-5min。

一种石墨烯，是由上述方法制得，所述石墨烯的比表面积为200-600m

本发明的原理：

本发明以废旧石墨为阳极，因而采用的是阳极氧化剥离法，其基本的原理是：通过施加外来电压驱动电解质中阴离子有效嵌入石墨阳极层间，形成石墨插层复合物(GIC)，并通过GIC氧化或还原反应产生气体的膨胀力优先打开石墨层间范德华力较弱的晶界、边缘和其他缺陷位置，使石墨层微观结构大比例膨胀和有效剥落，最终实现石墨烯的制备。回收的负极石墨多为粉体，颗粒间无导电桥梁，电解过程需要石墨作为一个导电体，类似导电棒/块，最简便的方法就是将负极石墨粉体用导电丝网固定，电解过程中导电丝网与石墨形成导电通路，形成一个完整的阳极。由于导电丝网材质与金属活泼性有关，活泼金属作为导电丝网，将会离子化至电解质中，对石墨无法起到固定作用，因而对于阳极电极材料的选择，要求阳极为不易离子化，且具有导电性的惰性金属。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

1.本发明通过限域的方式将废旧负极石墨粉夹装于导电丝网中，该方式可以固定负极石墨，省去了将废旧负极石墨粉制备为石墨块体再进行后续电解的步骤，简化工艺。

2.本发明用熔融盐作为电解质，对废旧负极石墨进行持续电解，废旧负极石墨中的金属杂质，有利于提高废旧负极石墨的导电性。熔融温度下石墨层间距扩大，有利于电解过程中阴离子进入石墨层间距对石墨进行插层、剥离，废旧锂离子电池负极石墨的回收率大于80％，废旧负极石墨到石墨烯的转化率大于99％。，所得石墨烯的比表面积为200-600m

3.对废弃锂离子电池材料中的负极石墨进行高赋值化回收再用，既可以解决电子废弃物的污染问题，又能提取废旧负极石墨作为原料制备石墨烯，实现了废旧锂离子电池负极材料的资源化利用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明的实施例1的工艺流程图；

图2为本发明的实施例1的废旧负极石墨熔盐电解的装置结构图。

图2中：1为阴极，2为电解槽，3为熔融电解质，4为废旧负极石墨粉，5为导电丝网，6为直流电源。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例的利用锂电池废旧负极石墨制备石墨烯的方法，包括以下步骤：

(1)取5g废旧锂离子电池负极石墨，过400目筛网，将筛上石墨粉或块体夹装于400目、面积为20cm

(2)打开加热器，设定温度为150℃，将电解槽中的硫酸氢铵加热至熔融，并保持恒温，待硫酸氢铵全部熔融后，将上述准备的阴、阳电极浸于熔融电解质中，静置0.5h，使石墨粉被电解质完全浸润，将阴阳极接入直流电源，电流密度3A·dm

(3)取出电解石墨，对其进行水洗，使产物的pH为中性，获得悬浮液，进行1000W超声处理30min，在2000rmp下离心2min，提取上层液，获得石墨烯分散液，冷冻干燥24h获得石墨烯，(下层物经80℃，3h真空干燥后，返回第一步作为电解原料继续电解)。

本实施例的石墨烯，通过物理吸附法测得比表面积为420m

实施例2

本实施例的利用锂电池废旧负极石墨制备石墨烯的方法，包括以下步骤：

(1)取5g废旧锂离子电池负极石墨，过400目筛网，将筛上石墨粉或块体夹装于400目、面积为20cm

(2)打开加热器，设定温度为250℃，将电解槽中的硫酸铵加热至熔融，并保持恒温，待硫酸氢铵全部熔融后，将上述准备的阴、阳电极浸于熔融电解质中，静置0.5h，使石墨粉被电解质完全浸润，将阴阳极接入直流电源，电流密度3A·dm

(3)取出电解石墨，对其进行水洗，使产物的pH为中性，获得悬浮液，进行600W超声处理30min，在2000rmp下离心2min，提取上层液，获得石墨烯分散液，进行冷冻干燥24h获得石墨烯(下层物经80℃，3h真空干燥后，返回第一步作为电解原料继续电解)。

本实施例的石墨烯，通过物理吸附法测得比表面积为350m

实施例3

本实施例的利用锂电池废旧负极石墨制备石墨烯的方法，包括以下步骤：

(1)取5g废旧锂离子电池负极石墨，过500目筛网，将筛上石墨粉或块体夹装于500目、面积为20cm

(2)打开加热器，设定温度为150℃，将电解槽中的硫酸氢铵加热至熔融，并保持恒温，待硫酸氢铵全部熔融后，将上述准备的阴、阳电极浸于熔融电解质中，静置0.5h，使石墨粉被电解质完全浸润，将阴阳极接入直流电源，电流密度6A·dm

(3)取出电解石墨，对其进行水洗，使产物的pH为中性，获得悬浮液，进行1000W超声处理30min，在2000rmp下离心2min，提取上层液，获得石墨烯分散液，再进行喷雾干燥获得石墨烯(下层物经80℃，3h真空干燥后，返回第一步作为电解原料继续电解)。

本实施例的石墨烯，通过物理吸附法测得比表面积为382m

对比例1

本对比例的利用锂电池废旧负极石墨制备石墨烯的方法，包括以下步骤：

(1)取5g废旧锂离子电池负极石墨，过400目筛网，将筛上石墨粉或块体夹装于400目、面积为20cm

(2)打开加热器，设定温度为110℃，将电解槽中的碳酸氢铵加热至熔融，并保持恒温，待碳酸氢铵全部熔融后，将上述准备的阴、阳电极浸于熔融电解质中，静置0.5h，使石墨粉被电解质完全浸润，将阴阳极接入直流电源，电流密度3A·dm

(3)取出电解石墨，对其进行水洗，使产物的pH为中性，获得悬浮液，进行1000W超声处理30min，在2000rmp下离心2min，提取上层液，获得石墨烯分散液，再进行冷冻干燥24h获得石墨烯(下层物经80℃，3h真空干燥后，返回第一步作为电解原料继续电解)。

本对比例的石墨烯，通过物理吸附法测得比表面积为60m

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。