DOI：10.1016/j.ensm.2026.104984

本文使用的焦耳加熱裝置是由合肥原位科技有限公司研發(fā)，感謝老師支持與認(rèn)可！

廢舊鋰離子電池的資源化回收是實(shí)現(xiàn)“雙碳"目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而石墨陽極作為電池核心部件，其高效再生一直是行業(yè)難題。近日，合肥工業(yè)大學(xué)宋曉輝副教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京工業(yè)大學(xué)張興宇副教授，在廢舊鋰離子電池石墨陽極再生領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，創(chuàng)新研發(fā)的一鍋法焦耳加熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)了廢舊石墨的高附加值再生，相關(guān)成果發(fā)表于國際Z名能源材料期刊《Energy Storage Materials》。

全文概述

當(dāng)前廢舊石墨回收方法普遍存在能耗高、環(huán)境污染、再生材料循環(huán)性能衰減等問題，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。針對這一痛點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性引入焦耳加熱策略，以硫?yàn)橹虚g橋梁在廢舊石墨表面構(gòu)建出獨(dú)特的C-S-P鍵，同時(shí)將廢舊陽極殘留雜質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為 FeS 納米顆粒與無定形Li?PO?涂層，原位形成穩(wěn)定的人造固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）層。該結(jié)構(gòu)在電池循環(huán)中可誘導(dǎo)富含Li?P的高效SEI層生成，大幅增強(qiáng)鋰離子傳輸效率，賦予再生石墨優(yōu)異的快充性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。電化學(xué)測試表明，再生石墨在3C高倍率下循環(huán)3000次后仍保持 101 mAh g?1的比容量，較商業(yè)石墨提升近2.5倍，全電池與軟包電池測試也驗(yàn)證了其優(yōu)異的工程化應(yīng)用潛力。此外，該方法兼具經(jīng)濟(jì)與環(huán)保優(yōu)勢，再生1 kg廢舊石墨僅耗能15.38 MJ、成本低至5.79美元，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)工藝，為廢舊石墨回收提供了綠色高效的新路徑。

 圖文解析

圖1：焦耳加熱廢舊石墨再生工藝流程和性能提升機(jī)制

圖中展示了以廢舊石墨為原料，通過一鍋法焦耳加熱技術(shù)，同步完成雜質(zhì)去除、C-S-P鍵構(gòu)建及FeS/Li?PO?原位生成的核心改性工藝。同時(shí)步闡釋了該改性結(jié)構(gòu)在電池循環(huán)中，如何誘導(dǎo)形成高導(dǎo)Li?P基SEI層，并通過多組分協(xié)同作用構(gòu)建高效鋰離子傳輸通道、抑制體積膨脹。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在電池循環(huán)中可誘導(dǎo)富含Li?P的高效SEI層生成，大幅增強(qiáng)鋰離子傳輸效率，賦予再生石墨優(yōu)異的快充性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖2：再生石墨電化學(xué)性能與離子傳輸動(dòng)力學(xué)綜合表征

通過倍率性能、長循環(huán)穩(wěn)定性、離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)及阻抗測試，全面證實(shí)再生石墨相較商業(yè)石墨的性能優(yōu)勢：0.1 C至5 C全倍率區(qū)間再生石墨比容量均更優(yōu)，3 C高倍率下循環(huán)3000次仍保持101 mAh g?1比容量，結(jié)合GITT、CV及EIS測試，進(jìn)一步驗(yàn)證Li?P基SEI層大幅提升了鋰離子擴(kuò)散系數(shù)、增強(qiáng)了電容型儲(chǔ)鋰貢獻(xiàn)，同時(shí)顯著降低了電荷轉(zhuǎn)移與SEI膜阻抗，為再生石墨的優(yōu)異快充性能和循環(huán)穩(wěn)定性提供了關(guān)鍵電化學(xué)證據(jù)。同時(shí)，經(jīng)測算，再生1 kg廢舊石墨僅耗能15.38 MJ、成本低至5.79美元，能耗與成本較傳統(tǒng)工藝分別降低63.2%和 36.3%，且整個(gè)過程無需使用酸堿試劑，實(shí)現(xiàn)低排放、低耗水，從源頭規(guī)避了傳統(tǒng)工藝的污染問題。

總結(jié)與展望

本研究針對廢舊鋰離子電池石墨陽極回收面臨的能耗高、污染大、再生材料循環(huán)性能衰減等行業(yè)痛點(diǎn)，創(chuàng)新開發(fā)一鍋法焦耳加熱再生技術(shù)，精準(zhǔn)破解了廢舊鋰電石墨陽極回收的行業(yè)痛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了廢舊石墨高效、綠色、高附加值再生的三重目標(biāo)，不僅為廢舊石墨陽極的規(guī)模化高價(jià)值回收提供了切實(shí)可行的技術(shù)方案，突破了傳統(tǒng)回收工藝的性能與成本雙重瓶頸，也為電池功能材料的界面精準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供了全新思路。未來，可聚焦技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的核心難題，重點(diǎn)優(yōu)化焦耳加熱反應(yīng)器的連續(xù)性、產(chǎn)能設(shè)計(jì)與副產(chǎn)物管理，推動(dòng)該工藝從實(shí)驗(yàn)室成果向工業(yè)級應(yīng)用轉(zhuǎn)化。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還將進(jìn)一步深化多組分協(xié)同作用機(jī)制研究，結(jié)合人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，優(yōu)化再生工藝參數(shù)，精準(zhǔn)預(yù)測電池性能與壽命，推動(dòng)廢舊石墨再生技術(shù)與電池全生命周期管理的深度融合。

通訊作者簡介

宋曉輝，合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授，黃山學(xué)者學(xué)術(shù)骨干。2016年博士畢業(yè)于新加坡南洋理工大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)，獲得理學(xué)博士學(xué)位。2016-2020年先后在美國UIUC，UC Berkeley, Lawrence Berkeley Lab從事博士后研究工作。從2021年9月開始加入合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，承擔(dān)教學(xué)和科研任務(wù)。主要從事微納尺度下電鏡三維重構(gòu)技術(shù)、原位電鏡技術(shù)、CT三維重構(gòu)技術(shù)等結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)研究儲(chǔ)能材料的構(gòu)效關(guān)系，致力于微觀尺度下儲(chǔ)能材料的界面行為、結(jié)構(gòu)演變、電極材料及隔膜的設(shè)計(jì)/合成與性能的研究。在Nature、Nature Nanotechnology、JACS、Nature Communications、ACS Nano、Nano Letters, Small、 ACS Materials Letters、Journal of Membrane Science、Nano Today等國際期刊發(fā)表多篇SCI論文。

張興宇，2021年入職北京工業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)與力學(xué)學(xué)院力學(xué)系任師資博后（講師、博士后研究員），碩士生導(dǎo)師。2012年、2015年分別本科、碩士畢業(yè)于中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，機(jī)械設(shè)計(jì)、制造及其自動(dòng)化及機(jī)械工程專業(yè)。2020年10月博士畢業(yè)于新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與宇航學(xué)院機(jī)械工程專業(yè)。在2013年8月至2017年1月期間，在新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與宇航工程學(xué)院曾任職研究助理工作。獲選2021年博士后國際交流計(jì)劃引進(jìn)項(xiàng)目，2024年北京市高層次留學(xué)人才回國資助。在Advanced Science，Nature Communication, Journal of Cleaner Production、Small等高影響因子論文20余篇。