近日，材料學(xué)院宋曉輝副教授團(tuán)隊(duì)在廢舊鋰離子電池石墨陽(yáng)極再生領(lǐng)域取得重要進(jìn)展 。研究利用創(chuàng)新的“一鍋法”焦耳加熱（One-pot Joule heating）技術(shù)，成功在廢舊石墨表面原位構(gòu)建了穩(wěn)定的人造固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）層，并生成硫化亞鐵（FeS）納米顆粒。相關(guān)成果近期發(fā)表在國(guó)際知名能源材料期刊《Energy Storage Materials》上，合肥工業(yè)大學(xué)為第一通訊單位。第一作者為材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生巫顯麒，通訊作者為宋曉輝副教授，共同通訊作者為北京工業(yè)大學(xué)張興宇副教授。

圖1：利用焦耳加熱技術(shù)原位再生快充石墨的工作流程與再生機(jī)制示意圖

廢舊石墨（SG）負(fù)極材料的回收對(duì)于實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)至關(guān)重要。然而，當(dāng)前的回收方法面臨能耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重，以及再生石墨（RG）在電池循環(huán)中容易出現(xiàn)性能衰減等挑戰(zhàn)。針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)引入焦耳加熱策略，以硫（S）為中間橋梁，利用極熱過(guò)程在石墨表面接枝磷（P），形成了獨(dú)特的 C-S-P 鍵 。同時(shí)，該過(guò)程將廢舊陽(yáng)極上殘留的雜質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為 FeS 納米顆粒與無(wú)定形的 Li3PO4 涂層。

研究發(fā)現(xiàn)，這種精妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在電池循環(huán)過(guò)程中，促進(jìn)了富含 Li3P 的高效 SEI 層的原位生成。原位拉曼光譜（In-situ Raman）及多種表征證實(shí)，該 SEI 層極大增強(qiáng)了鋰離子傳輸通道，賦予了材料優(yōu)異的快充性能與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。電化學(xué)性能測(cè)試表明，再生石墨在 3 C 的高倍率下循環(huán) 3000 次后，仍能提供 101 mAh g-1 的比容量，較商業(yè)石墨（CG）提升了近 2.5 倍。全電池和軟包電池測(cè)試同樣展現(xiàn)出卓越的工程化應(yīng)用潛力。

此外，技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合分析顯示，該方法再生 1 kg 廢舊石墨僅耗能 15.38 MJ、成本低至 5.79 美元，大幅優(yōu)于傳統(tǒng)高耗能回收工藝，且過(guò)程綠色環(huán)保 。該研究不僅為廢舊石墨的高附加值回收提供了切實(shí)可行的解決方案，還前瞻性地探討了廢舊石墨再生閉環(huán)生命周期與人工智能（AI）融合以推動(dòng)工業(yè)發(fā)展的廣闊前景。

圖2：電化學(xué)性能圖

本研究獲得了合肥工業(yè)大學(xué)人才啟動(dòng)計(jì)劃、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)、國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及安徽省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。同時(shí)，本研究獲得了合肥原位科技有限公司在焦耳熱實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面的支持。本研究依托合工大分析測(cè)試中心的電鏡平臺(tái)，充分發(fā)揮了團(tuán)隊(duì)在多學(xué)科交叉、結(jié)構(gòu)原位表征與材料機(jī)制研究方面的優(yōu)勢(shì)。該成果的取得，有力推動(dòng)了我校在廢舊電池高價(jià)值回收與功能納米材料設(shè)計(jì)方向的國(guó)際影響力。

（宋曉輝/文圖 薛傳妹/審核）

責(zé)任編輯：程婷婷