综述：从环境和工业的角度重新审视石墨和石墨烯在锂离子电池中的作用

《Carbon Energy》：Rethinking the Roles of Graphite and Graphene in Lithium-Ion Batteries From Environmental and Industrial Perspectives

石墨和石墨烯作为锂离子电池负极材料，其生产过程面临高能耗和环境污染问题。本文综述了当前石墨和石墨烯的制造方法、环境影响及可持续发展策略，包括天然石墨的矿物加工优化、合成石墨的高温热解改进，以及利用生物质和废电池回收材料。同时探讨了循环经济在材料回收中的应用前景。

　　随着全球对可持续能源解决方案的关注不断加深，锂离子电池（LIBs）作为关键的技术支撑，其生产过程中的碳足迹问题逐渐受到重视。石墨和石墨烯作为LIBs的重要材料，不仅在技术性能上表现出色，还在全球范围内被广泛用于电池的阳极材料和添加剂。然而，它们的生产过程往往伴随着较高的环境成本，尤其是在当前的工业化生产中，需要大量的能源输入和使用有害化学物质，这些因素限制了其在绿色制造方面的潜力。

### 石墨的制造与环境影响

石墨分为天然石墨（NG）和合成石墨（SG）两种主要类型。天然石墨主要通过开采和后续的提纯与处理过程得到，而合成石墨则是通过石油焦和煤焦油的高温处理制造而成。天然石墨的生产过程包括开采、选矿、球形化、提纯和加工，这些步骤对环境的影响主要来自于选矿过程中使用的强酸和高温处理带来的高能耗。相比之下，合成石墨的生产虽然纯度更高，但需要在高达3000°C的Acheson炉中进行石墨化处理，这同样导致了较高的能耗和环境负担。

天然石墨的生产过程相对温和，但其提纯步骤需要大量强酸，这些酸不仅消耗资源，还会产生有毒气体和废水，对当地环境造成污染。而合成石墨的生产则涉及复杂的工艺流程，其高温处理过程对能源消耗和环境影响更为显著。因此，为了实现石墨生产的绿色化，需要在提纯和加工步骤中引入更环保的替代方法，例如使用水基工艺和低能耗的提纯技术。

### 石墨烯的制造与环境影响

石墨烯作为石墨的单层结构，具有极高的比表面积和导电性，被广泛研究用于LIBs的阳极材料和添加剂。然而，其生产过程，如化学气相沉积（CVD）和化学剥离，通常需要大量的能源和化学试剂，导致较高的环境成本。例如，使用化学剥离法生产的石墨烯需要高能耗的还原步骤，而CVD法则需要昂贵的设备和高温环境。

为了减少石墨烯生产中的环境影响，研究人员正在探索使用水基材料和减少化学试剂的新型制造方法。这些方法不仅降低了生产成本，还减少了对环境的污染。此外，石墨烯的回收和再利用也成为了研究热点，以减少其在电池使用后产生的废弃物。

### 石墨和石墨烯的回收与再利用

石墨和石墨烯的回收技术正在不断发展，以应对日益增长的电池需求和资源回收的挑战。石墨的回收通常涉及酸洗、高温处理和再加工等步骤，以去除杂质并恢复其电化学性能。然而，这些方法往往伴随着较高的能耗和成本，限制了其大规模应用的可行性。

石墨烯的回收同样面临挑战，尤其是如何有效分离和提纯其在电池废弃物中的存在。目前，石墨烯的回收主要依赖于物理和化学方法，如水洗和高温处理。然而，这些方法在经济性和环境影响方面仍需进一步优化。未来的回收技术需要在不牺牲材料性能的前提下，实现更低的能耗和更高的回收率。

### 绿色制造与可持续发展

为了实现LIBs的可持续发展，石墨和石墨烯的生产过程必须进行优化，以减少环境影响和能源消耗。这包括采用可再生能源进行生产、改进提纯和加工技术、以及发展循环经济模式。例如，一些公司正在尝试使用可再生能源驱动的设备和更环保的化学试剂，以减少碳足迹。

此外，石墨和石墨烯的回收和再利用也是实现可持续发展的关键。通过改进回收技术，可以将废弃的电池材料重新加工为高价值的电池材料，从而减少对新原料的需求和环境负担。这些技术的进一步发展和商业化将有助于构建一个更加绿色和可持续的电池材料供应链。

### 结论与展望

尽管石墨和石墨烯在LIBs中的应用已有多年，但它们的绿色制造和回收仍面临诸多挑战。这些挑战包括生产过程中的高能耗、化学试剂的使用以及回收技术的不成熟。为了克服这些问题，需要在材料科学、工艺优化和政策支持等方面进行综合研究和创新。

未来的石墨和石墨烯制造和回收技术将更加注重环境友好性和经济可行性。通过引入更高效的提纯和加工方法、利用可再生能源以及发展循环经济模式，可以显著降低其生产过程中的碳足迹。同时，政府和行业需要提供相应的政策支持和经济激励，以促进这些技术的广泛应用和商业化。这些努力将有助于构建一个真正绿色和可持续的电池材料供应链，支持全球电池产业的持续增长，同时实现气候目标。