Research on Recycled Titanium Matrix Derived from Titanium-based Lead-acid Batteries as Titanium-based Grid Current Collector

doi:10.7503/cjcu20240222

Abstract

Abstract:

The energy density of titanium-based lead-acid batteries can be remarkably enhanced， thereby greatly resolving the problem of the easy corrosion and softening of the positive plates that are typically observed in traditional lead-acid batteries. This also demonstrates significant commercialization potential. However， when compared with the mature recycling process of traditional lead-acid batteries and the utilization of recycled lead， the recycling method of titanium-based lead-acid batteries and the application of recycled materials become the key factors for the future application and development of these batteries. In this paper， recycled titanium-based positive and negative electrode grids derived from titanium-based lead-acid batteries were prepared. The positive electrode grid was composed of recycled titanium matrix/tin-antimony intermediate layer/lead， and the negative electrode grid was composed of recycled titanium matrix/copper/lead. The possibility of recycling applications was discussed by studying the electrochemical properties of recycled titanium matrix derived from titanium-based lead-acid batteries for grid current collectors. The results show that the discharge specific capacity of the active material based on the recycled titanium-based positive plate is 72.4 mA·h/g， and the cycle life of the corresponding battery at 0.5C100%DoD（depth of discharge） is 180 times. The discharge specific capacity of the active material based on the recycled titanium-based negative plate is 98 mA·h/g， and the corresponding battery has a cycle life of 332 times at 0.5C100%DoD. The performance of the grid and battery prepared with the recycled titanium matrix is the same as that of the pure titanium matrix. This finding provides a solid experimental basis for the recycling of the recycled titanium grid in titanium-based lead-acid batteries.

Key words: Lead-acid battery, Recycled titanium matrix, Grid, Recycling, Cycle life

CLC Number:

O646

TrendMD:

LIU Debo, WU Yupeng, XU Keda, LIN Haibo. Research on Recycled Titanium Matrix Derived from Titanium-based Lead-acid Batteries as Titanium-based Grid Current Collector[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(7): 20240222.

Figures/Tables 11

References 46

1	Liang Y. L.， Yao Y.， Nat. Rev. Mater.， 2023， 8（2）， 109—122
2	Mansuroglu A.， Gencten M.， Arvas M. B.， Sahin M.， Sahin Y.， J. Energy Storage， 2023， 64， 107224
3	Shi M. H.， Yuan J. C.， Dong L.， Zhang D.， Li A. J.， Zhang J. J.， Electrochim. Acta， 2020， 353， 136567
4	Lopes B. P. P.， Stamenkovic V. R.， Science， 2020， 369（6506）， 923—925
5	Gabryelczyk A.， Kopczyński K.， Baraniak M.， Łęgosz B.， Walkiewicz F.， Pernak J.， Lota G.， J. Solid State Electrochem.， 2018， 22（3）， 919—930
6	Zhao Z. Q.， Liu B.， Shen Y. H.， Wu T.， Zang X. X.， Zhao Y.， Zhong C.， Ma F. Y.， Hu W. B.， J. Power Sources， 2021， 510， 230393
7	Rocca E.， Bourguignon G.， Steinmetz J.， J. Power Sources， 2006， 161（1）， 666—675
8	McGregor K.， Hollenkamp A. F.， Barber M.， Huynh T. D.， Ozgun H.， Phyland C. G.， Vu L. H.， J. Power Sources， 1998， 73（1）， 65—73
9	Romero A. F.， Tomey R.， Ocón P.， Valenciano J.， Fricke H. M.， J. Energy Storage， 2023， 72， 108302
10	Karden E.， Moseley P. T.， Lead⁃acid Batteries for Future Automobiles， Elsevier，Amsterdam， 2017， 575—598
11	Tan S. Y.， Payne D. J.， Hallett J. P.， Kelsall G. H.， Curr. Opin. Electrochem.， 2019， 16， 83—89
12	Liu K.， Tan Q. Y.， Liu L. L.， Li J. H.， ACS Sustain. Chem. Eng.， 2020， 8（9）， 3547—3552
13	Jang Y. I.， Dudney N. J.， Tiegs T. N.， Klett J. W.， J. Power Sources， 2006， 161（2）， 1392—1399
14	Hossain M. D.， Islam M. M.， Hossain M. J.， Yasmin S.， Shingho S. R.， Ananna N. A.， Mustafa C. M.， J. Energy Storage， 2020， 27， 101108
15	Sajjad M.， Zhang J.， Zhang S. W.， Zhou J. Q.， Mao Z. Y.， Chen Z. W.， Chem. Rec.， 2024， 24（3）， e202300315
16	Hong B.， Jiang L. X.， Hao K. T.， Liu F. Y.， Yu X. Y.， Xue H. T.， Liu Y. X.， J. Power Sources， 2014， 256， 294—300
17	Chen Y.， Chen B. Z.， Ma L. W.， Yuan Y.， Electrochem. Commun.， 2008， 10（7）， 1064—1066
18	Chen Y.， Chen B. Z.， Ma L. W.， Yuan Y.， J. Appl. Electrochem.， 2008， 38（10）， 1409—1413
19	Kirchev A.， Kircheva N.， Perrin M.， J. Power Sources， 2011， 196（20）， 8773—8788
20	Kirchev A.， Dumenil S.， Alias M.， Christin R.， De Mascarel A.， Perrin M.， J. Power Sources， 2015， 279， 809—824
21	Kirchev A.， Serra L.， Dumenil S.， Brichard G.， Alias M.， Jammet B.， Vinit L.， J. Power Sources， 2015， 299， 324—333
22	Czerwiński A.， Obrębowski S.， Kotowski J.， Rogulski Z.， Skowroński J. M.， Krawczyk P.， Baraniak M.， J. Power Sources， 2010， 195（22）， 7524—7529
23	Czerwiński A.， Obrębowski S.， Kotowski J.， Rogulski Z.， Skowroński J.， Bajsert M.， Kopczyk M.， J. Power Sources， 2010， 195（22）， 7530—7534
24	Czerwiński A.， Obrębowski S.， Rogulski Z.， J. Power Sources， 2012， 198， 378—382
25	Hariprakash B.， Gaffoor S. A.， J. Power Sources， 2007， 173（1）， 565—569
26	Wagner R.， Schroeder M.， Stephanblome T.， Handschin E.， J. Power Sources， 1999， 78（1）， 156—163
27	Dai C. S.， Zhang B.， Wang D. L.， Yi T. F.， Hu X. G.， Mater. Chem. Phys.， 2006， 99（2/3）， 431—436
28	Yang T.， Qian S.， Luo Y.， Wang X.， Wang Z.， J. Electrochem. Energy Convers. Storage， 2021， 18（3）， 1—7
29	Lin H. B.， Liu D. B.， Lin N.， A Kind of Lead⁃acid Battery Using Titanium Substrate Grid and Preparation Method Thereof， CN 116525972 A， 2023⁃05⁃12
	林海波，刘德波，林楠. 一种使用钛基板栅的铅酸电池及其制备方法， CN 116525972 A， 2023⁃05⁃12
30	Lin H. B.， Liu D. B.， Lin N.， Gong X.， Titanium⁃based Lead⁃carbon Battery and Preparation Method Thereof， CN 117954633 A， 2023⁃12⁃29
	林海波，刘德波，林楠，龚勋. 钛基铅炭电池及其制备方法， CN 117954633 A， 2023⁃12⁃29
31	Lin H. B.， Liu D. B.， Lin N.， A Method for Recycling and Recycling Positive Electrode Plates of Titanium⁃based Lead⁃acid Batteries， CN 117832668 A， 2024⁃01⁃08
	林海波，刘德波，林楠. 一种钛基铅酸电池的正极板回收循环利用方法， CN 117832668 A， 2024⁃ 01⁃08
32	Lin H. B.， Liu D. B.， Lin N.， A Recycling Method for Titanium⁃based Lead⁃acid Battery Negative Plates， CN 117878468 A， 2024⁃01⁃12
	林海波，刘德波，林楠. 一种钛基铅酸电池负极板的回收循环利用方法， CN 117878468 A， 2024⁃01⁃12
33	Liu D.， Lin N.， Zhang W.， Wang Y.， You Q.， Liu Z. Q.， Li J. C.，Gong X.， Lin H. B.， J. Energy Storage， 2023， 73， 108880
34	Lin H. B.， Liu D. B， Lin N.， A Kind of Titanium⁃based Positive Electrode Grid for Lead⁃acid Battery and Preparation Method Thereof， CN 116314849 A， 2023⁃05⁃12
	林海波，刘德波，林楠. 一种铅酸电池钛基正极板栅及其制备方法， CN 116314849 A， 2023⁃05⁃12
35	Kong H. S.， Lu H. Y.， Zhang W. L.， Lin H. B.， Huang W. M.， J. Mater. Sci.， 2012， 47（18）， 6709—6715
36	Lin H. B.， Liu D. B.， Lin N.， A Kind of Titanium⁃based Negative Electrode Grid for Lead⁃acid Battery and Preparation Method Thereof， CN 116722149 A， 2023⁃05⁃12
	林海波，刘德波，林楠. 一种铅酸电池钛基负极板栅及其制备方法， CN 116722149 A， 2023⁃05⁃12
37	Tang C. H.， Electroplating & Finishing， 2021， 40（3）， 212—215
	唐春华. 电镀与涂饰， 2021， 40（3）， 212—215
38	Zhang Y. C.， Hu R. N.， Xiang R.， Electroplating Handbook（3rd Edition）， National Defense Industry Press， Beijing， 2007
	张允诚，胡如南，向荣. 电镀手册（第3版），北京：国防工业出版社， 2007
39	Ghosh S.， Thin Solid Films， 2019， 669， 641—658
40	Lin Z. Q.， Lin N.， Lin H. B.， Zhang W. L.， Electrochim. Acta， 2020， 338， 135868
41	Yin J.， Lin N.， Zhang W. L.， Lin Z. Q.， Zhang Z. Q.， Wang Y.， Shi J.， Bao J. P.， Lin H. B.， J. Energy Chem.， 2018， 27（6）， 1674—1683
42	Ji K.， Xu C.， Zhao H. H.， Dai Z. D.， J. Power Sources， 2014， 248， 307—316
43	Yolshina L. A.， Yolshina V. A.， Yolshin A. N.， Plaksin S. V.， J. Power Sources， 2015， 278， 87—97
44	Zhang S. K.， Zhang H.， Cheng J.， Zhang W. F.， Cao G. P.， Zhao H.， Yang Y. S.， J. Power Sources， 2016， 334， 31—38
45	Wang Y.， Lin N.， Liu D. B.， Liu Z. Q.， Li J. C.， Lin H. B.， J. Power Sources， 2024， 602， 234345
46	Hu H. Y.， Xie N.， Wang C.， Wang L. Y.， Privette R. M.， Li H. F.， Pan M.，Wu F.， Yan X. L.， Jiang B. B.， Marvin H.， Kizhanipuram V.， Dai G. P.， ACS Omega， 2018， 3（6）， 7096—7105

[1]	ZHU Zhengxin, ZHANG Xiang, WANG Mingming, CHEN Wei. Lithium Intercalation Compounds-Hydrogen Gas Batteries [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(5): 1610.
[2]	HUANG Haihong, ZHANG Baoyu, ZHAO Zhipei. Degradation and Characterization of Recycling Carbon Fiber/Epoxy Resin Composites in Supercritical n-Butanol^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2017, 38(9): 1687.
[3]	ZHANG Zhong-Qiang^1,2, HUANG Ru-Dan¹, XU Yan-Qing¹, HU Cuang-Wen¹. Syntheses, Crystal Structure and Luminescence Properties of A Novel Two-dimensional Grid Framework Coordination Polymers [Zn(DPA)]_n [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2008, 29(8): 1528.
[4]	ZHOU Yan-Bao, YANG Chun-Xiao, MA Min, ZHOU Wei-Fang, LIU Hou-Tian . A New Pb-Sm-Sn Positive Grid Alloy [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2003, 24(9): 1677.