一种将退役光伏硅电池回收利用的新策略，用于制备高性能硅碳负极

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A novel recycling strategy of decommissioned photovoltaic silicon cell toward preparing high-performance silicon-carbon anodes

退役光伏硅片与香蕉皮协同制备碳包覆硅碳负极材料，通过碱洗去除杂质、高能球磨及高温烧结实现结构优化，循环500次容量保持1378.6 mAh/g，成本降低69.6%，构建光伏-锂-农业跨行业循环经济模型。

　　随着全球光伏产业的迅猛发展，光伏组件的安装总量已超过1000吉瓦（GW）。然而，考虑到光伏组件的平均使用寿命约为25至30年，早期安装的大量晶体硅光伏组件正逐步进入退役阶段。国际可再生能源机构（IRENA）的预测表明，到2030年，退役的光伏面板将达到约800万吨，而到2050年则会飙升至7800万吨。这些退役组件中包含的可回收材料，预计具有约150亿美元的经济价值。然而，目前全球仅有10%的退役光伏组件经过正式回收处理，其余大多被丢弃在垃圾填埋场。这种不可持续的处理方式，随着光伏安装的持续扩张，亟需得到有效的干预和解决。

硅太阳能电池虽然仅占光伏组件总质量的3%，但却占据主要成本（超过60%）和功能组件。这些高纯度的硅基板（纯度≥6N）若通过填埋或简易处理方式被处置，不仅造成大量半导体级材料的浪费，还可能引发重金属渗漏，带来严重的环境风险。因此，开发先进的硅太阳能电池高值化利用路径，已成为推动光伏产业可持续发展的关键研究方向。

值得注意的是，退役的硅太阳能电池为下一代锂离子电池（LIB）的负极材料提供了一个独特的原料来源。当前主流的石墨负极技术，其理论容量受到天然限制，仅有约372毫安时每克（mAh g?1），已逐渐无法满足新兴高能量密度储能应用的需求。相比之下，硅因其极高的理论容量（约4200 mAh g?1）、合适的锂嵌入电位以及丰富的地壳资源，被视为最有前景的下一代负极材料。然而，硅基负极的广泛应用仍面临三大技术瓶颈：首先，高纯度硅纳米粉末的制备成本较高，占负极材料总成本的60%以上；其次，硅在电化学循环过程中因锂化引起的体积膨胀可达300%-400%，这一现象会导致电极结构的粉化，严重降低电池的循环性能；第三，硅的本征导电性较低，介于10?3 S/cm之间，这在一定程度上限制了其电化学性能的发挥。

为应对这些技术挑战，硅-碳复合策略展现出独特的优势。一方面，通过构建导电碳网络，可以显著提高材料的整体导电性；另一方面，碳基体的柔性结构能够有效缓冲硅的体积膨胀，同时抑制硅颗粒的聚集。特别是，利用废弃硅电池作为硅源具有显著的成本优势，经过简单净化后即可满足电极材料的需求，并可通过适当尺寸控制实现再生，从而大幅降低传统硅纳米粉末制备的成本。

碳源的选择方面，本文创新性地采用了香蕉皮这一农业副产品。香蕉皮作为一种典型的可再生生物质资源，全球年产量超过1亿吨。此外，其回收成本仅为商业碳源的1/50-1/30，具有显著的经济优势。更重要的是，香蕉皮富含纤维素和木质素，在热解后可形成多孔碳结构，有利于电解液浸润和锂离子的传输。这种“废料换废料”的策略不仅实现了农业废弃物的高效利用，也符合绿色和可持续发展的原则。

本文提出了一种基于退役光伏硅电池和香蕉皮生物质碳的新型回收策略。该策略旨在通过将退役光伏组件中的硅电池片与从香蕉皮中提取的生物质碳进行复合，构建一种新型的硅-碳负极材料。技术路线如图1所示。该策略具有三重创新价值：首先，材料复合设计有效解决了硅基负极的成本、体积膨胀和导电性问题；其次，从经济角度来看，该策略实现了两种废弃物的高值转化，从而确保材料回收带来可观的经济效益；第三，从生态角度来看，建立了一个涵盖光伏、锂电和农业领域的跨行业循环经济模型，为实现碳中和目标提供了新的途径。可以预见，这种“固体废弃物资源—材料高性能—绿色应用”的技术路径，将为新能源产业的可持续发展模式创新提供有力的推动。

在材料方面，本文使用的生物质碳前驱体（香蕉皮）来源于当地的食品废弃物，这不仅确保了材料的可持续性和经济性，也符合环保理念。对于硅原料，退役的晶体硅光伏组件来自青海省内的一家太阳能发电厂（制造商：Topray Solar；组件类型：TPSP6U）。这些组件以实验室规模采购，便于系统研究硅的回收过程。

在处理工艺方面，本文探讨了热处理方法在去除EVA层和实现光伏组件层间解离的有效性。然而，由于背板中可能含有氟化物，如聚乙烯基氟和聚乙烯基二氟，氟化背板在热处理过程中可能产生有害气体，包括氢氟酸（HF）、一氧化碳（CO）、二噁英、氟化有机化合物以及芳香烃类化合物。因此，在本研究中，特别关注了如何在热处理过程中减少有害气体的排放，以确保整个回收过程的安全性和环保性。

在结论部分，本文成功开发了一种基于退役光伏硅电池和香蕉皮生物质碳的高性能Si/C负极材料回收制备技术，为光伏废弃物和农业废弃物的协同高值利用提供了一个创新性的解决方案。通过碱浸出去除铝、高能球磨和高温烧结等协同工艺，构建了具有碳包覆结构的硅-碳复合材料。这种材料在循环过程中表现出优异的稳定性和高达99.72%的库仑效率，几乎接近理论值。同时，其可逆锂存储容量在500次循环后仍能保持在1378.60 mAh g?1，是传统石墨负极的四倍。从经济角度来看，该策略相比传统硅-碳负极合成方法，生产成本降低了69.6%，突显了其经济可行性。此外，该“废料-能源”策略构建了一个融合“光伏-锂电-农业”的新型循环经济模型，实现了废弃物的高值化利用，为新能源产业的可持续发展提供了新的思路。

通过本研究的探索，不仅为解决光伏产业废弃物的回收问题提供了可行的技术路径，也促进了农业废弃物的资源化利用。这种跨行业的协同模式，有助于推动绿色能源的发展，实现资源的循环利用，减少对环境的影响。同时，该策略在经济上也具有显著优势，降低了材料制备成本，提高了资源回收的经济效益。这种“废料-能源”的理念，将为未来新能源产业的发展提供重要的参考和借鉴。

在材料合成过程中，我们采用了多种技术手段来优化硅-碳复合材料的性能。首先，通过碱浸出法去除铝，这一步骤不仅提高了硅的纯度，也为后续的高能球磨和高温烧结创造了良好的条件。其次，高能球磨过程有效地将硅电池片与生物质碳进行均匀混合，形成了纳米级的复合结构。高温烧结则进一步促进了硅与碳之间的结合，增强了材料的结构稳定性和导电性。这些步骤的协同作用，使得最终获得的硅-碳复合材料具有优异的电化学性能。

在实验过程中，我们对材料进行了系统的表征分析。结果表明，碳包覆结构能够有效缓解硅在充放电过程中的体积变化，同时提高锂离子的传输效率。此外，通过电化学性能测试，我们发现该材料在500次循环后仍能保持较高的可逆锂存储容量，显示出出色的循环稳定性。这些实验结果验证了该材料在实际应用中的可行性，并为未来大规模生产提供了依据。

从环保角度来看，该策略不仅减少了废弃物的堆积，还通过资源的再利用降低了对自然资源的依赖。硅-碳复合材料的制备过程中，采用的原料均来自废弃物，减少了对环境的污染。同时，通过优化工艺，我们有效控制了有害气体的排放，确保了整个回收过程的安全性和可持续性。这种绿色循环模式，符合当前全球对可持续发展的要求，为未来新能源产业的绿色转型提供了新的思路。

在经济分析方面，我们发现该策略相比传统方法具有显著的成本优势。首先，退役光伏组件的回收成本较低，减少了对新原料的需求；其次，香蕉皮作为农业废弃物，其回收成本远低于商业碳源，进一步降低了整体生产成本；最后，通过优化工艺，提高了材料的性能，使得其在实际应用中具有更高的价值。这些因素共同作用，使得该策略在经济上极具可行性，为未来大规模应用提供了保障。

此外，该策略还具有重要的社会价值。通过将废弃光伏组件与农业废弃物相结合，不仅提高了资源的利用率，还为废弃物处理提供了新的思路。这种跨行业的合作模式，有助于推动不同领域之间的协同创新，实现资源的高效利用。同时，这种绿色循环模式也有助于提高公众对可持续发展的认识，促进社会对环保技术的关注和支持。

在实际应用中，该策略的推广将对光伏产业的发展产生深远的影响。一方面，通过提高材料的性能，可以延长电池的使用寿命，提高储能系统的效率；另一方面，通过降低生产成本，可以提高材料的市场竞争力，促进新能源产业的快速发展。此外，该策略的推广还将对农业废弃物的处理提供新的解决方案，有助于推动农业的绿色转型，实现资源的循环利用。

综上所述，本文提出的“光伏废弃物硅和生物质碳”回收策略，不仅为解决光伏产业废弃物的回收问题提供了可行的技术路径，还为农业废弃物的资源化利用提供了新的思路。这种跨行业的协同模式，有助于推动绿色能源的发展，实现资源的高效利用和循环再生。同时，该策略在经济上也具有显著优势，降低了材料的生产成本，提高了材料的市场竞争力。这种“废料-能源”的理念，将为未来新能源产业的可持续发展提供重要的参考和借鉴。