矿山尾矿作为锂离子电池活性电极材料的可持续利用研究

为解决矿山尾矿储存带来的环境与社会问题，研究人员探索将尾矿直接用作锂离子电池负极材料。研究显示，富含黄铁矿（HP）和硅酸盐（LP）的尾矿均具电化学活性，初始放电比容量分别达570 mAh/g和288 mAh/g，全电池能量密度分别为104 Wh/kg和66 Wh/kg。结果表明尾矿材料在循环中表现出不同动力学与机械稳定性，为可持续电池材料开发提供新思路。

　　

随着全球绿色能源转型的加速，锂离子电池需求激增，尤其是电动汽车和储能系统的大规模应用，对电池材料供应链带来巨大压力。目前，石墨作为主流负极材料面临供应链安全和资源限制等问题，而硅、锡等高性能替代材料又因体积膨胀大、循环稳定性差而难以商业化。同时，矿业产生的尾矿废弃物堆积成山，不仅占用土地，还可能引发环境污染（如酸性矿山排水）和尾矿坝溃坝等社会问题。如何将尾矿变废为宝，既缓解电池材料短缺，又减少环境负担，成为可持续发展的重要课题。

在此背景下，来自帝国理工学院等机构的研究团队在《Cell Reports Sustainability》发表了一项创新研究，首次系统评估了两种成分不同的矿山尾矿直接作为锂离子电池负极材料的电化学性能与机制。研究无需复杂加工，直接利用尾矿原始颗粒，通过详尽的材料表征与电化学测试，揭示了黄铁矿与硅酸盐矿物在电池循环中的行为差异，为尾矿资源化提供了科学依据。

研究采用的关键技术方法包括：动态光散射（DLS）和扫描电子显微镜（SEM）用于分析尾矿颗粒尺寸与形貌；X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）用于鉴定矿物晶体结构与表面化学环境；循环伏安（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和恒电流间歇滴定技术（GITT）用于评估电化学性能与离子扩散动力学；半电池与全电池（配对NMC111正极）测试用于验证实际应用潜力。样本来源于运营中的矿山：HP尾矿取自伊比利亚黄铁矿带，LP尾矿取自美国某金属矿。

材料表征

通过DLS和SEM分析，HP尾矿（高黄铁矿）颗粒均匀，主要成分为FeS₂，含少量石英；LP尾矿（低黄铁矿）以硅酸盐（如石英、正长石）为主，成分异质性强。XPS显示HP尾矿表面存在硫化物风化层（硫酸盐）和有机试剂残留，而LP尾矿表面与体相成分一致，无风化层。

电化学性能

CV测试表明，两种尾矿在首次循环中均出现硅酸盐锂化（<1 V）和黄铁矿相变（~1.1 V）特征峰。循环性能显示，HP尾矿初始放电比容量达570 mAh/g，但100次循环后衰减至约100 mAh/g；LP尾矿初始为288 mAh/g，循环后保持类似容量。HP尾矿库仑效率（CE）为98%（1C），而LP尾矿因硅酸盐不可逆反应CE较低（~80%）。全电池测试中，HP与LP尾矿分别实现104 Wh/kg和66 Wh/kg的初始能量密度。

动力学机制

EIS分析揭示，HP尾矿阻抗周期性波动（>1750 Ω），与黄铁矿颗粒循环中破碎-暴露新鲜表面相关；LP尾矿阻抗稳定（<200 Ω），归因于硅酸盐体积变化小、机械稳定性高。赝电容贡献分析表明，LP尾矿赝电容占比87.2%，高于HP尾矿的67.1%。GITT测得锂离子扩散系数（D_Li+）在HP尾矿中为10^?16–10^?14 cm²/s，而LP尾矿在硅形成阶段骤升至10^?11 cm²/s。

结论与意义

该研究证明矿山尾矿可直接作为锂离子电池负极材料，其中黄铁矿贡献高初始容量但循环中机械降解严重，硅酸盐则提供更好的长期稳定性与赝电容行为。尽管尾矿材料的能量密度低于商业石墨负极，但其可持续性优势显著：减少尾矿堆积环境风险、拓宽电池材料来源、降低对关键矿产的依赖。尤其适合对成本敏感、材料需求量大的大型储能场景（如风光储能电站）。未来可通过矿物纯化、纳米化或掺杂等策略进一步提升性能，但需平衡加工能耗与可持续性收益。本研究为尾矿资源化提供了基础数据与机制见解，推动了循环经济在电池领域的应用。