马里兰大学胡良兵最新AFM：仅需0.1秒！新技术实现回收石墨的升级再造！

新技术实现电池阳极石墨大批量回收

随着锂离子电池作为移动设备的电源被广泛使用，也就导致了大量电池的废弃。因此回收这些材料变得越来越重要。目前，石墨是锂离子电池最广泛使用的阳极材料，这也造成了大量的石墨废弃材料，实现这种石墨材料的回收利用助于保护自然资源，减少浪费，并提供经济和环境效益。

现阶段已经有几种方法可以回收废旧或降解的石墨（DG），包括化学和热处理。对于化学方法，通常采用的酸浸处理去除石墨中的杂质（如SEI、粘合剂和残留的电解液），但是化学处理方法还无法实现恢复石墨的结晶结构。对于热处理，已经有相关工艺利用炉子加热来同时去除杂质和恢复DG的结晶结构，但是这种工艺是很耗时且耗能。近些年，为了缩短石墨回收工艺的所需时间，相关研究开发了一种闪光的高温回收方用于石墨粉末的再生，它可以大大缩短加热时间。但是，这个过程是在石英管反应器内的封闭环境中进行的，限制了它连续大规模生产的潜力。因此，十分需要开发一种快速、节能和可扩展的工艺来回收锂离子电池中的石墨。

近期，马里兰大学帕克分校胡良兵团队联合弗吉尼亚理工学院林峰团队发现了一个连续高温加热（≈2000K）的过程，以直接和快速回收含有杂质的降解石墨。设计了一个倾斜的碳加热器来提供连续的加热源，这使得对温度曲线的有力控制成为可能，与传统的炉子加热相比，消除了热传递的热障。石墨粉末被倒在倾斜的碳加热器的顶部，然后在加热过程中从上到下滚落。这个过程只需要≈0.1秒，这使得连续、快速和大规模地生产上循环石墨（UG）成为可能。在这个过程中，石墨中的杂质被有效地去除，并且碳的石墨化程度和（002）的层间间距都得到了提高，使上再生石墨更适合于锂的插层和脱层。利用再生石墨组装的电池在1倍率时显示出≈320 mAh g-1的高可逆容量，500次循环后容量保持率为96%，与目前最先进的再生石墨相当。该工作以题为“Direct and Rapid High-Temperature Upcycling of Degraded Graphite”的文章发表于Advanced Functional Materials上。

石墨再生过程的设计

通过设计一个连续的高温装置实现直接和快速地从锂离子电池中回收危险物质。该装置的特点是设计了一个简单的斜面碳纸膜（厚度：190微米；长度：5厘米；宽度：2厘米；斜面膜与水平面之间的角度：50o），它可以通过焦耳加热产生稳定、均匀超高温度，并使杂质得到超快的分解，并且温度分布可控。通过在加热器顶部倒入石墨，在加热过程中，石墨粉在重力作用下沿加热器自上而下滚动。在该过程中，碳纸的温度可以达到高达3000K。因此，杂质的分解以更快的速度发生，并在石墨颗粒滚下电加热器的0.1秒内完成（总体上减少了能源消耗）。再生的石墨粉末可以在斜面加热器的底部被收集。通过这种方式，可以实现大规模地持续回收再生电极石墨。

为了更加细致的研究石墨的回收过程，使用红外摄像机每1/30秒记录一次加热器和石墨的空间温度分布。滚动过程在0.1秒的短时间内完成。电加热器和石墨的最高温度分别为1970 K和1530 K，都高于杂质完全分解所需的温度（≈873 K）。如此高的温度确保了杂质的快速分解/清除。加热温度可以调整到3000K，以进一步优化还原的性能。从

对比也可以看出，从电池中取出的石墨会因为粘结剂而产生的颗粒团聚，而在再生后的石墨中没有观察到颗粒团聚，这意味着粘结剂被成功去除。通过扫描电子显微镜观察二者的形貌，在处理前可以看到杂质附着在石墨的表面上，而再生石墨则显示出没有杂质的光滑表面。这些都证明了该工艺可以实现石墨的再生

再生石墨性能研究

除了成功地去除杂质外，这一再生过程还通过增加石墨化程度和（002）平面的层间间距来恢复和改善碳的结晶结构。再生前石墨表现出不连续的石墨层和许多缺陷，这是由于锂的插层和脱层导致了石墨结构的恶化。而再生石墨则表现出一个连续的石墨层和较少的缺陷。拉曼结果显示，高温处理可以去除杂质，增加碳的石墨化程度。此外，与再生前石墨相比，在再生石墨中还发现（002）处的层间间距增加。XRD结果显示，再生石墨的层间间距（002）为3.370 Å，比再生前石墨的层间间距（3.352 Å）大。增加的层间间距使得UG更适合于锂的插层和脱层。

文中还进一步研究了再生石墨的电化学性能。再生石墨电池在0.2 C和1.0 C下的充放电曲线显示出与新石墨相当的电压平稳性，表明我们的工艺成功地恢复了石墨的结构。再生石墨电池在0.2 C时的初始库仑效率为90%，而不是100%。这表明表面形成了新的SEI层，并验证了再生策略可以去除石墨电极表面的SEI层。组装好的再生石墨电池还在不同电流下进行了长期循环测试。经过200次循环，再生石墨电池在0.2 C时保持了≈350 mAh g-1的可逆容量，没有容量衰减。这种长期循环稳定性与新石墨几乎没有区别。

小结：该文报道了一种连续的高温加热方法来再生石墨电极材料，该工艺能够去除SEI层和粘合剂等杂质，并恢复石墨的结晶结构。整个工艺仅仅使用了一个倾斜的碳加热器作为连续的加热源。通过将石墨倒在斜面加热器的顶部，2000K的温度下，粉末从加热器的顶部滚落到底部即可完成再生过程。与再生前石墨材料相比，得到的z再生没有残留杂质，石墨化程度高，层间间距（002）增大，更适合于锂的插层和脱层。这项工作提出了一种有前途的可扩展方法，可以直接和快速地从废旧LIB中回收石墨，并有可能应用于其他阴/阳极材料，大大减少时间消耗和提高生产效率。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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