将氧化铝工业固体废弃物升级转化为用于锂离子电池的二硫化钒阳极材料

《Resources, Conservation and Recycling》：Upcycling alumina industrial solid waste into vanadium disulfide anode materials for lithium-ion batteries

　　

张润鑫|李学松|吴宇涵|刘峰|李伟山|王鹏飞|李来世|史发年|徐瑞|吴玉生

沈阳工业大学环境与化学工程学院，中国沈阳 110870

摘要

由于电动汽车的快速发展，锂离子电池已无法满足对高容量、低成本和优异寿命的日益增长的需求。因此，迫切需要开发具有优异综合性能的阳极材料。作为金属硫属化合物家族中的一员，硫化钒因其多电子转移能力而受到广泛关注。然而，作为一种重要的稀有资源，钒的价格仍然较高。本研究利用氧化铝行业产生的固体废弃物，通过“绿色”方法制备了硫化钒。该材料在0.1 A g?1电流密度下表现出936.28 mAh g?1的高可逆放电容量，并在3 A g?1的高电流密度下经过5000次循环后仍保持282.63 mAh g?1的优异寿命。我们的工作不仅为危险工业废弃物的高价值利用开辟了新途径，还提供了一种高性能且经济性良好的阳极材料。

引言

在全球资源消耗不断增加的背景下，高效利用工业废弃物已成为缓解环境压力和资源短缺的关键（Golroudbary等人，2022；Wang等人，2025）。这一挑战在氧化铝行业中尤为突出。在主流的拜耳氧化铝生产过程中，大约20%–30%的钒会溶解到碱液中（Pietrantonio等人，2024）。为保持产品质量，需要对碱液进行蒸发和冷却以去除杂质。在此过程中，钒酸盐和碱性成分会结晶成双盐，形成拜耳钒污泥（BVS）（Zhang等人，2024）。作为有价值的二次钒资源，BVS的产量与全球氧化铝产量成正比，根据国际铝业协会的数据，2024年全球氧化铝产量约为1.47亿吨。以中国为例，BVS的年产量估计可达数十万吨（Zhang等人，2023）。如果BVS没有得到妥善处理，其中高迁移性和生物毒性的钒成分将继续对环境构成威胁（图1；Ke等人，2021；Zhang等人，2023），同时也会造成重要战略金属资源的严重损失（Petranikova等人，2020）。

钒作为一种关键的战略金属，在冶金、航空航天和电化学储能领域需求不断增长（Liang等人，2022）。因此，钒产品的价格一直较高。例如，根据上海金属市场的数据，2025年12月五氧化二钒的价格超过了每吨10,000美元。因此，从BVS中高效提取钒不仅可以显著减少污染风险，还能通过资源再利用创造巨大的经济价值（Chen等人，2022）。近年来，过渡金属硫化物（TMSs）（Vijaya Kumar Saroja等人，2025；Wu等人，2024）因其优异的材料性能和高理论比容量而成为锂离子电池（LIBs）的有希望的阳极材料（Azam等人，2021；Wang等人，2025；Wu等人，2024；Zheng等人，2025）。作为TMS家族的典型代表（Wang等人，2022），硫化钒（VS?）具有多电子转移能力、独特的层状结构（Li等人，2017；Wang等人，2022）和内在的金属特性（Li等人，2018）等显著优势。然而，由于原材料价格昂贵和传统合成方法的复杂性，其实际应用受到限制（Wang等人，2023；Xu等人，2014）。如果能够通过简便的合成工艺利用BVS中的钒资源制备VS?阳极材料，这些问题将得到解决（Wang等人，2025；Wang等人，2025）。

基于以上考虑，本研究采用自主研发的铵浸出法从BVS中提取偏钒酸铵，随后通过低温水热硫化（160°C）制备VS?。所得VS?具有丰富的层状结构。作为LIBs的阳极材料，其在0.1 A g?1电流密度下经过50次循环后仍能保持936.28 mAh g?1的高可逆容量，并表现出优异的寿命。在3 A g?1的高电流密度下经过5000次循环后，其容量仍为282.63 mAh g?1。我们希望这项工作能为含钒工业废弃物的低成本高效利用开辟新途径，为LIBs提供高性能且低成本的阳极材料，从而推动大规模电化学储能的发展。

节选内容

材料制备

首先，使用BVS作为钒源，通过氨浸出法制备了NH?VO?（图S1）。具体步骤如下：将BVS在80°C下干燥过夜，然后将20克干燥后的BVS分散在140毫升氨溶液中，并在70°C下搅拌5小时。收集滤液，并通过加入盐酸将pH值调整至7–8。随后加入15毫升过氧化氢，再加入硫酸铵，混合物反应5小时后得到NH?VO?。

材料表征

从BVS中提取NH?VO?前驱体，然后将其作为钒源制备VS?。整个合成过程的示意图如图2a所示。通过XRD和SEM对NH?VO?前驱体的晶体和形态特性进行了表征。XRD图谱（图2b）证实了NH?VO?的纯度，没有杂质相（JCPDS-25–0047），特征峰位于2θ = 14.9°、17.86°、21.23°、27.97°、30.59°和33.96°，对应于（020）、（001）晶面。

结论

总之，本研究提出了一种有效的方法，将氧化铝生产过程中的副产物拜耳钒污泥（BVS）转化为有价值的电化学储能电极材料。通过铵浸出法结合一步水热工艺制备了结晶良好的VS?。最佳条件（160°C下合成）下的材料在0.1 A g?1电流密度下经过50次循环后，可逆容量为936.28 mAh g?1，循环效率约为100%。值得注意的是，其容量在经过5000次循环后仍保持在282.63 mAh g?1。

CRediT作者贡献声明

张润鑫：撰写——原始草稿、方法学、数据分析。李学松：撰写——原始草稿、方法学、数据分析、概念构思。吴宇涵：撰写——审稿与编辑、软件应用、资源协调、方法学、资金申请、概念构思。刘峰：撰写——审稿与编辑、软件应用、方法学。李伟山：软件应用、方法学。王鹏飞：方法学、概念构思。李来世：软件应用、方法学。史发年：

利益冲突声明

作者声明他们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

本研究得到了辽宁省科学技术厅的支持（2024-BSLH-172, 2025JH2/101900028）。