用于高容量铅锂水电池的废铅膏：一种回收废铅膏的新方法

《Next Materials》：Waste lead paste for high-capacity lead–lithium aqueous batteries: A new method to recover waste lead paste

铅锂水系电池通过回收废铅膏作为负极材料，结合LiCoO2正极和1M Li2SO4电解液，实现了高初始放电容量（148.9 mAh g?1）和稳定的循环性能（100次循环后容量保持62.7 mAh g?1）。该方法减少50%铅用量，避免强酸腐蚀，具有环保节能优势。Mülliken分析表明H+迁移至LiCoO2氧2p轨道形成-OH键，导致初期容量衰减

　　### 新型铅-锂水系电池的开发与研究

近年来，随着环保意识的提升和可持续发展的需求，电池技术的发展不仅关注其性能，还强调对环境的影响。铅酸电池因其成本低廉和稳定的电化学性能而被广泛应用于多个领域，但其使用过程中产生的铅污染和硫酸污染问题日益受到关注。铅是一种有毒的重金属，容易对环境和人体健康造成严重影响，而硫酸则具有较强的腐蚀性，可能导致设备损坏和环境污染。因此，减少铅酸电池中铅和硫酸的使用量，成为环保电池研发的重要方向之一。

在这一背景下，研究人员探索了一种新的方法，利用废旧铅膏作为负极材料，结合锂离子电池的原理，开发出一种新型的铅-锂水系电池。这种方法不仅能够有效回收废旧铅膏，还能够减少对环境的污染。与传统的铅酸电池相比，该电池在电解液中使用了水溶液，避免了有机溶剂的使用，从而提高了安全性。同时，该电池的制造过程无需高温和复杂的化学反应，减少了能源消耗和生产成本。

### 新型铅-锂水系电池的结构与材料

新型铅-锂水系电池的结构设计充分考虑了材料的可回收性和环境友好性。其正极材料为LiCoO?，负极材料为废旧铅膏，主要成分为PbSO?。此外，电池中使用了PTFE作为粘结剂，碳黑作为导电剂，镍泡沫作为集流体，以及Li?SO?水溶液作为电解质。这种设计不仅能够提高电池的电化学性能，还能够有效减少对环境的影响。

废旧铅膏的回收过程相对简单，通过多次清洗去除残留的硫酸，使得其能够直接作为负极材料使用。清洗后的废旧铅膏经干燥、研磨后，与PTFE和碳黑混合成浆料，涂覆在镍泡沫集流体上，经过干燥后形成电极。这种电极材料的制备过程无需高温处理，降低了能耗，同时避免了对环境的污染。

### 电池的电化学性能

在电化学性能方面，新型铅-锂水系电池表现出显著的优势。其初始放电容量在50 mA/g的电流密度下达到了148.9 mAh/g，远高于传统铅酸电池的53-71 mAh/g。这表明该电池在能量密度方面具有更高的潜力。此外，电池在100 mA/g的电流密度下，经过100次循环后，放电容量仍保持在62.7 mAh/g，显示出良好的循环稳定性。

为了进一步研究电池性能的变化机制，研究人员对LiCoO?正极材料进行了穆尔肯（Mülliken）电荷分布分析。通过这一分析，发现H?离子在Li?SO?水溶液中被运输到LiCoO?正极的O 2p轨道中，形成OH共价键，从而导致正极容量的下降。这一现象在电池的前10次循环中尤为明显，而随着循环次数的增加，容量逐渐趋于稳定。

### 电池的反应机制

电池的反应机制涉及多个步骤，包括正极和负极的氧化还原反应。在充电过程中，LiCoO?正极材料发生氧化反应，释放出Li?离子和电子，而废旧铅膏负极材料则发生还原反应，吸收Li?离子和电子。在放电过程中，反应过程则相反，Li?离子和电子从正极材料转移到负极材料。

通过循环伏安法（CV）测试，研究人员发现电池的氧化和还原峰分别出现在约1.00 V和1.45 V处。随着扫描速度的增加，氧化和还原峰的电流强度也随之增加，但峰的对称性逐渐减弱。这一现象表明，电池的反应机制可能受到多种因素的影响，包括电荷传输和扩散过程。

在分析反应控制机制时，研究人员发现，电池的反应过程主要受扩散控制。当扫描速度增加时，氧化和还原峰的电流与扫描速度的平方根呈线性关系，表明电荷的传输和扩散是主要的反应动力学因素。这一发现为理解电池的性能变化提供了重要的理论依据。

### 环境与安全优势

新型铅-锂水系电池在环境和安全方面具有显著优势。首先，其使用水溶液作为电解质，避免了有机溶剂的使用，减少了对环境的污染。其次，电池的制造过程无需高温和复杂的化学反应，降低了能源消耗和生产成本。此外，废旧铅膏的直接利用不仅减少了铅的使用量，还降低了铅的污染风险。

与传统铅酸电池相比，新型铅-锂水系电池在安全性方面也表现出色。由于不使用硫酸，电池的腐蚀性和污染风险大大降低。同时，废旧铅膏的回收和再利用过程更加环保，符合可持续发展的理念。

### 废旧铅膏的回收与利用

废旧铅膏的回收和再利用是新型铅-锂水系电池开发的重要环节。通过简单的清洗和干燥过程，废旧铅膏能够被有效地回收并作为负极材料使用。这一过程不仅降低了铅的使用量，还减少了铅的污染风险，为废旧电池的处理提供了新的思路。

此外，研究人员还探讨了废旧铅膏在不同条件下的回收效果。通过调整水溶液的pH值或添加适当的添加剂，可以进一步提高废旧铅膏的利用率，减少其在电池中的分解，从而延长电池的使用寿命和提高其性能。

### 未来展望

新型铅-锂水系电池的研发为废旧铅膏的回收和再利用提供了新的途径。通过这种电池，废旧铅膏不仅能够被有效回收，还能够用于高性能电池的生产，减少对环境的影响。未来，研究人员将继续探索更高效的回收方法和更环保的电池设计，以推动铅酸电池向更加可持续的方向发展。

这一研究不仅展示了废旧铅膏的潜在价值，还为新型电池技术的发展提供了重要的理论支持和实践指导。通过优化材料选择和电池结构，新型铅-锂水系电池有望在未来成为一种更加环保和高效的电池解决方案。