中国粉体网讯 据了解，我国公路基础设施每年养护产生的废旧沥青混合料约2亿吨，但循环利用率较低，造成了严重的资源浪费与生态环境破坏。推动废旧路面、沥青等材料的高资源化利用，成为当前亟须解决的问题。
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沥青是原油蒸馏或煤炼焦加工过程中的副产物，是一类主要由多环碳化合物和多环芳烃组成的复杂混合物，具有来源广泛、成本低廉、残炭率高且易于石墨化等诸多优点，作为炭前驱体已被研究应用于锂离子电池负极领域中。
2021年，长沙理工大学贾传坤教授团队通过对废旧沥青进行高效分离、回收和资源化利用、高温烧制等研究，制备出一种具有相互联通的三维孔状结构和高比表面积的介孔碳材料（MPC）。该材料用作锂离子电池负极材料时，比容量比商业石墨高，用于钠离子和钾离子的存储时也展现出优异的电化学性能。该团队的研究在全球首次实现了以废旧沥青为碳源，制备高性能低成本锂/钠/钾离子电池负极碳材料，以及固废道路垃圾的“变废为宝”，突破了传统交通领域废旧沥青混合料回收利用瓶颈，为深化废旧交通材料循环利用、构建绿色交通提供了新途径，具有显著经济效益和社会效益。
近日，该团队的研究成果开启了产业化进程。研究团队与浙江八咏新型材料科技有限责任公司，就团队自主研发的废旧沥青混合料中油石高效分离、沥青回收及资源化利用等领域设备和材料，签署1400万元专利许可使用合作，共推技术产业化落地。研究团队透露，目前油石分离设备已完成年处理10万吨/台设计，年产2000吨沥青基电池负极材料生产线已在制造。预计今年底，油石分离设备和负极生产线实现投产。
沥青在负极材料领域，可以作为原材料制备负极材料，也可以用于负极材料改性。下面介绍几种应用研究：
研究人员以纳米氧化镁颗粒为模板，石油沥青为碳源，液相超声分散均匀后，在氮气保护下800℃高温处理1h，通过酸洗去除模板制备出具有独特的空心结构的超薄多孔炭壳（PACS），制备过程如图1所示。PACS由于超薄的片层且分级多孔的结构，为离子传输提供了更多的活性位点，在1A/g的电流密度下经过1000次循环后，具有334mAh/g的可逆容量和90％的容量保持率。
图1沥青基超薄多孔炭壳的制备过程
再比如，有研究者用低成本的煤焦油沥青为原材料，通过球化稳定法制备出沥青基炭微球（PCB），制备过程如图2。在制备过程中，通过引入空气中的氧气促进交联，避免了低软化点沥青在乳状液中的聚结，无需进行后处理以稳定其球形形态。当用作锂离子电池负极材料时，在电流密度为0.05A/g和5A/g下，PCB的克容量分别为373.6mAh/g，125.8mAh/g。
图2沥青基炭微球的制备过程
也有人采用石油沥青为碳源，Fe2O3为模板，在酸洗除模板的过程中，回收滤液利用共沉淀法制备出纳米Fe3O4/石油沥青基炭（Fe2O3/PC）复合材料，实验制备过程如图3。将其作为锂离子电池的负极材料时，具有73％Fe2O3的Fe2O3/PC在200mA/g下可提供785mAh/g的可逆容量。
图3纳米Fe2O3/石油沥青基炭复合材料的制备过程
在负极材料改性方面，沥青可以用于石墨及硅负极改性。
比如，有人采用具有3种不同软化点（150，200，250℃）的石油沥青分别在人造石墨表面涂层，包覆过程如图4，探究其对石墨负极的电化学性能影响。当炭化温度为1000℃，沥青包覆质量分数为10%时，软化点为250℃的沥青包覆石墨负极显示出最优的电化学性能：首次库伦效率为92.9%，容量为343mAh/g，10C/0.1C的容量保持率为84.1%。
图4石油沥青包覆人造石墨的制备过程
在硅负极改性方面，有人利用行星式球磨机将沥青与硅碎片均匀混合，采用简单的电沉积法和热加工工艺制备了具有多孔结构的沥青基硅炭复合材料作为锂离子电池负极，制备过程如图5。结果表明，此复合材料P-Si-0.5（沥青与硅的比值为0.5）在0.2C时经过100次充电后容量为1515mAh/g，容量保持率为73.95%，在0.5C时经过200次充电后容量为929mAh/g，容量保持率为70.61%。
图5沥青基硅炭复合材料制备过程
也有人将沥青均匀分散在四氢呋喃中并将其浸渍到Si-CNT微球中，随后在Ar气氛下900℃炭化处理3h得到三维多孔沥青炭包覆的Si纳米颗粒-碳纳米管（Si-CNT@PC）复合微球，制备过程如图6。与未涂覆沥青炭的Si-CNT微球相比，炭包覆的硅纳米颗粒显示出良好的电化学性能，当电流密度为1A/g时，经过200个周期循环后，Si-CNT和Si-CNT@PC的最大容量分别为51mAh/g、1209mAh/g。
图6三维多孔沥青炭包覆Si-CNT微球制备过程
小结
沥青作为原油蒸馏或煤炼焦加工过程中产生的较难处理的副产物，对其进行定向的、高效应用具有重要经济意义。将沥青用于负极材料或负极改性，不仅可以实现沥青的高附加值利用，而且能够为负极材料电化学性能的提升提供一些新的方法和探索。
参考来源：
刘梦璇，等.沥青在锂离子电池负极材料中的应用研究进展
科技日报、中国科学报
（中国粉体网编辑整理/文正）
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