升级回收锌碳电池实现可调MnO2多晶相及锌电解质的可控合成及其在可充电锌离子电池中的应用

《Waste Management》：Upcycling zinc-carbon batteries for tunable manganese dioxides and zinc electrolytes in rechargeable batteries

本文创新性地提出了一种将废弃锌碳电池升级回收为可调控多晶相MnO2（α-、γ-、β-、λ-MnO2）正极材料和锌基电解质的策略。通过湿法冶金结合水热法成功制备高纯度MnO2多晶相，系统表征其晶体结构（XRD）与形貌（SEM/TEM），并揭示α-MnO2电极在回收电解液中H+/Zn2+可逆共嵌入机制。特别发现电解液中Mn2+可提升电极结构稳定性（200圈循环容量保持率63.47%），为废弃电池高值化利用提供新范式。

　　

结果与讨论

图1展示了通过湿法冶金方法从废弃锌碳电池中回收正负极材料的升级循环流程简图。通过人工拆解，锌碳电池的各个组件被分离以便进行定向回收操作。随后采用酸浸法溶解含锰阴极粉末和阳极锌板。根据普贝图（Pourbaix diagram），锰可在特定条件下以氧化物形式沉淀。

结论

总之，从废弃锌碳电池中拆解出的黑色阴极粉末和阳极锌板被升级循环用于可控合成MnO₂多晶相和水性Zn²⁺电解质，应用于可充电锌离子电池。通过氧化酸性条件下的沉淀和水热处理实现高效分离，可制备四种不同的MnO₂多晶相，且未检测到任何杂质相。每种多晶相展现出独特的物理形貌，例如α-MnO₂的纳米纤维、γ-MnO₂的纳米棒、β-MnO₂的纳米针以及λ-MnO₂的纳米颗粒。电化学测试表明，隧道结构（α-、γ-、β-MnO₂）在0.1 A/g电流密度下提供200-300 mAh/g的比容量，而尖晶石结构（λ-MnO₂）约为47 mAh/g。值得注意的是，α-MnO₂电极与从浸出液获得的回收电解质组装后，其储能机制涉及H⁺和Zn²⁺离子的可逆共嵌入和脱出。回收电解液中存在的Mn²⁺显著增强了α-MnO₂电极的结构稳定性，在200次循环后容量保持率达63.47%。这项工作为从废弃原电池中实现材料升级循环、可控合成纯MnO₂多晶相并用于高性能可充电锌离子电池提供了新途径。

作者贡献

稿件由所有作者共同撰写。所有作者均已批准最终版本。

CRediT作者贡献声明

Sasitorn Khamprathed： 原始稿件撰写、方法学、研究实施、形式分析、数据整理。

Parkpoom Yawanangkul： 方法学、研究实施、形式分析、数据整理。

Wisit Hirunpinyopas： 验证、方法学。

Pawin Iamprasertkun： 验证、方法学。

Adisak Boonchun： 验证、方法学。

Adisorn Tuantranont： 验证。

Supak Pattaweepaiboon： 方法学、形式分析、概念化。

Weekit Sirisaksoontorn： 稿件审阅与编辑、原始稿件撰写、监督、项目管理、资金获取、概念化。