从废旧电池废料中回收碳纳米材料，用于制造性能更优的水泥基复合材料

《Resources, Conservation and Recycling》：Recycling carbon nanomaterials from spent battery waste for enhanced cementitious composites

废旧锌碳电池阴极残渣经回收处理转化为石墨烯和碳黑，用于水泥基复合材料可显著提升抗压强度，0.1%石墨烯增强33.6%，1%碳黑增强33.9%，两者复合达34.5%。该工艺兼具环保减排（减少水泥消耗和CO?排放）与资源循环利用价值，为电池废弃物高值化提供新路径。

　　

作者：Ngoc Kien Bui、An-Giang Nguyen、Nghia P. Tran、Thi Thuy Trang Vuong、Ngoc Do Dai、Van Nhat Nguyen、Phi Long Nguyen、Tuan Ngo

东京大学研究生院工程系，日本东京113-8656

摘要

废弃的锌碳（Zn–C）电池会产生大量废弃物，目前的回收方法仅针对阳极部分，而富含石墨和纳米碳的阴极残留物则被废弃并通常填埋处理。本研究提出了一种增值途径，将这些残留物转化为回收的石墨烯和炭黑，作为水泥基复合材料的功能性添加剂。将回收的石墨烯和炭黑加入普通波特兰水泥中，评估其对水化动力学、微观结构演变和力学性能的影响。结果表明，回收的石墨烯和炭黑改善了孔结构并提高了抗压强度。它们的纳米级桥接作用、加速了水化过程，并增强了基体的致密性。添加0.1%的回收石墨烯可使抗压强度提高33.6%，添加1%的回收炭黑可提高33.9%，两者结合使用时抗压强度提高了34.5%。使用回收的石墨烯和炭黑不仅减少了水泥的消耗，还为电池废弃物的回收提供了可持续的途径，同时降低了二氧化碳（CO₂）的排放。

引言

回收废弃电池有助于节约资源、减轻环境污染，并促进循环经济的发展（Kang等人，2023；Ma等人，2024；Mu?oz García等人，2025）。随着消费电子产品和便携设备的快速增长，全球电池消耗量逐年增加，导致废弃电池的数量不断增加，必须有效管理这些电池（Dam等人，2025；Jo等人，2025；Li等人，2025；Nguyen等人，2025a，2025b）。在各种电池化学类型中，锌碳（Zn–C）电池是最古老且应用最广泛的一次电池之一，尤其是在低成本和家用领域（Maryam Sadeghi等人，2020；Thakur等人，2024）。其相对简单的构造和材料组成使其成为资源回收的理想候选者。通常，阳极为金属锌，同时也作为外壳；阴极主要由二氧化锰与导电碳粉（如乙炔黑或石墨）混合而成（Maryam Sadeghi等人，2020；Thakur等人，2024）。中央的石墨棒因其高导电性和化学稳定性而充当电流集流体（Maryam Sadeghi等人，2020）。电解质通常为水溶液中的氯化铵和氯化锌，使用纸作为隔膜（Thakur等人，2024）。这些组件为回收和再利用提供了多种途径。

尽管存在这些机会，但锌碳电池的大规模回收仍不发达。在许多地区，尤其是发展中国家，缺乏正式的收集和管理系统，导致大多数废弃电池与生活垃圾一起被丢弃（Calin等人，2021；Mahandra等人，2018）。不当的处理方式，尤其是填埋，会带来严重的环境危害，例如锌、锰以及微量的汞、铅和镉会渗入土壤和地下水。这种污染不仅破坏生态系统和生物多样性，还会在食物链中积累，对人类健康造成长期风险（Florez等人，2024；Kang等人，2023）。回收过程本身也面临挑战。湿法冶金工艺虽然比火法冶金能耗低，但会产生大量需要处理的液体废液（Maryam Sadeghi等人，2020；Mu?oz García等人，2025；Rezaei等人，2025）。火法冶金虽然适合工业规模处理，但能耗高、碳密集，并释放有毒气体和粉尘，需要昂贵的排放控制系统（Maryam Sadeghi等人，2020；Rezaei等人，2025）。

此外，产品质量和经济可行性也是挑战。不同类型电池的混合收集常常导致交叉污染，降低回收材料的纯度；此外，不同制造商和生产年份之间的成分差异进一步复杂化了工艺优化（Baum等人，2022；Kang等人，2023）。此外，锌和锰的市场价值较低，使得锌碳电池的回收在经济上缺乏吸引力，除非有补贴或政策支持。这些限制凸显了需要采用优先考虑高价值组分的替代性回收策略。像石墨和导电碳这样的碳质残留物提供了有前景的利用途径。这些碳材料可以升级为回收的石墨烯（G）和炭黑（CB），两者都是具有潜在可持续应用价值的材料（Vuong等人，2024a，2024b）。

最新研究表明，基于碳的添加剂可以显著提高混凝土的性能（Gao等人，2024；Rahman等人，2022）。炭黑是一种低成本的碳纳米材料，具有微填充和成核作用。由于其高比表面积和纳米颗粒形态，炭黑能提高填充密度（Klyuev等人，2024；Zhang等人，2022a），并为水泥水化物的生长和沉积提供成核位点（Du等人，2020；Taylor，1997）。其填充效应还降低了毛细作用，从而降低了水泥基材料的渗透性（Monteiro等人，2017）。同时，石墨烯具有优异的机械强度、高导电性和大比表面积，可作为C–S–H形成的成核基底，改善水泥基体中的应力传递（Ho等人，2020；Lin和Du，2020）。其二维形态使其能够桥接纳米级裂纹，并促进水化产物的连续性，从而显著提高强度、韧性和耐久性（Wei等人，2024）。由于其基本未被氧化且疏水，石墨烯主要通过物理机制与水泥孔溶液相互作用（Tran等人，2024a），这限制了其在水中的分散性，但在适当分散条件下可形成稳定的碳框架，提供强大的机械增强效果。最近的分散技术进展，特别是基于PCE的超塑化剂的使用，重新激发了人们对石墨烯作为混凝土添加剂的兴趣（Anwar等人，2025a；Fonseka等人，2024；Pei等人，2024）。尽管取得了进展，但关于石墨烯和炭黑在水泥基材料中的研究仍有限，尤其是在其力学性能、微观结构影响和增强机制方面。通过化学和物理处理从废弃电池中回收这些材料，可以为水泥基应用提供丰富且低成本的原料；然而，这一机会尚未得到充分探索。为此，本研究提出了一种简化的回收方法，从废弃电池中提取石墨烯和炭黑，并评估其作为水泥基系统功能性添加剂的适用性。

在这种背景下，从废弃锌碳电池中回收石墨烯和炭黑具有三重效益：（1）减轻电池废弃物的环境负担；（2）提高回收的经济可行性；（3）增强水泥基材料的性能。本研究展示了从废弃电池中回收这些添加剂的工艺，并系统研究了它们对水泥浆体微观结构和力学性能的影响。这项工作旨在为电池废弃物在建筑材料中的可持续再利用提供新的见解，从而将废物管理与绿色建筑实践联系起来。

方法

从VinUniversity的电池回收点收集废弃的锌碳电池，并手动拆解以分离石墨棒和阴极混合物。石墨棒通过一步电化学剥离法用于合成石墨烯。具体来说，八根石墨棒串联排列作为阳极，中间放置一根石墨棒作为阴极。所有电极浸入500毫升1 M H₂SO₄溶液中。

材料和混合物

使用符合TCVN 2682:2020标准的越南PC40水泥。水泥的化学成分见表A1。为确保在混合过程中石墨烯和炭黑在水泥浆（HCP）中均匀分散，添加了比重约为1%的聚羧酸基超塑化剂（PCE-SP），因为它已被证明可以促进石墨烯和炭黑在浆体中的稳定均匀分布（Anwar等人，2025a；Dong等人，2020b；Gwon等人，2023）。

实验程序

抗压强度在7天、14天和28天时使用万能试验机（Instron 8562）以6 MPa/s的加载率进行测量。

等温量热法：使用TAM Air–3等温量热计测量新鲜水泥混合物在水化过程中的热流，以研究水化动力学。测试在25°C的受控环境中进行。混合后几秒内将样品放入量热计通道中，并监测热流长达3天。

废弃电池产品的表征

回收的碳材料的XRD图谱见图1(a)。G样品的衍射图谱显示出一个位于约26°的宽峰，对应于石墨碳的（002）平面，以及一个位于43°附近的弱峰，可归因于（100)/(101）平面。这些峰的宽度和低强度表明其晶体结构较差，表明存在多层或乱层结构的石墨烯。

结论

本研究成功开发了一种简化的回收途径，从废弃锌碳电池中回收了石墨烯（G）和回收的炭黑（CB）。这些回收的碳基材料为提高水化水泥浆（HCP）的性能提供了低成本且实用的方法，有助于开发更可持续的水泥基复合材料。主要结论如下：

添加石墨烯和炭黑显著提高了HCP的抗压强度。使用0.1%的石墨烯可使抗压强度提高……

CRediT作者贡献声明

Ngoc Kien Bui：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、资源管理、方法论、研究设计、资金获取、数据分析、概念化。An-Giang Nguyen：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、研究设计。Nghia P. Tran：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢VinUniversity创新基金和环境智能种子基金（VINUNI.CEI.GR_0008）的财政支持。N.K.B.还感谢JSPS KAKENHI（资助编号：25K17664）的支持。