Upcycling of photovoltaic waste graphite into high performance graphite anode

光伏废石墨升级回收为高性能石墨负极

论文亮点

研究背景

• 全球"碳达峰、碳中和"政策推动下，光伏产业快速发展，产生大量废石墨材料
• 2023年全球光伏装机容量达1552.3 GW，预计2024年将达到1954.6 GW
• 目前废石墨大多采用填埋或简单浸出处理，导致环境污染和资源浪费
• 锂离子电池市场需求增长，急需开发可持续的石墨负极材料供应方案

研究方法

1. 光伏废石墨升级回收

废石墨来自单晶炉废加热器，经过破碎机初步破碎后，使用高能球磨机在800r/min下研磨6小时，然后用200目筛网筛分备用。称取200mg废石墨放入FJH装置的石英管中，两端用石墨塞紧密压实，调节系统电阻在1.5-2Ω之间，保持真空状态，调节脉冲电压至200V，观察到"闪蒸"现象后冷却，标记为FWG。

2. 表征方法

使用X射线衍射(XRD)分析样品的物相和晶体结构；热重分析仪(TG)分析碳含量；电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)分析杂质含量；拉曼光谱分析石墨化程度；扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析微观形貌；X射线光电子能谱(XPS)分析材料表面元素组成；电子顺磁共振(EPR)分析电子空位。

3. 电化学测试

使用CR2032纽扣电池研究升级回收石墨的电化学性能。按照8:1:1的质量比，将WG、LWG、FWG和商业石墨(CG)活性材料、导电碳(Super-P)和聚偏氟乙烯(PVDF)在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶剂中搅拌12小时，然后涂覆在铜箔集流体上，100°C真空干燥8小时。使用锂箔作为负极，玻璃微纤维滤膜作为隔膜，1M LiPF6作为电解质，在氩气气氛的手套箱中组装2032型纽扣电池。

主要结论

• 闪蒸焦耳加热方法成功将光伏废石墨升级回收为高性能锂离子电池负极材料
• FWG负极表现出优异的可逆容量(413mAh/g)和长循环稳定性(1000次循环后容量保持率90.1%)
• 该方法具有无污染、低能耗的优点，真正实现了光伏废料的绿色、低成本、高价值利用

图1：闪蒸焦耳加热升级回收光伏废石墨

图1a-d展示了FJH过程的详细信息。光伏废石墨主要由块状组成，需要经过破碎和球磨处理成微米级粉末后进行FJH过程。通过调节两个石墨塞间距控制系统电阻约2Ω，设置反应电压参数为200V，电流在500ms内达到约226A。

图2：样品的结构和组成表征

图2a比较了FJH与传统加热和石墨化方法的时间-温度关系；图2b展示了不同FJH工艺下升级回收石墨的ID/IG值；图2c为XRD图谱；图2d为拉曼光谱；图2e为ICP-OES分析结果；图2f为XPS测量光谱；图2g为FWG的C1s高分辨率光谱；图2h为WG和FWG的EPR光谱。

图3：WG和FWG的形貌特征

图3a,e展示了WG和FWG的TEM图像；图3b,f为WG和FWG的HRTEM图；图3c,g为WG和FWG的层间距；图3d,h为WG和FWG的IFFT图；图3i为FWG的EDS mapping；图3j为FJH过程中形貌转变的示意图。

图4：所有样品的电化学性能

图4a展示了所有样品在0.5C下的初始充放电曲线；图4b为FWG在1.0C下不同循环次数的充放电曲线；图4c为WG、LWG、FWG和CG电极在0.5C下的循环性能；图4d为WG、LWG和FWG电极的倍率性能；图4e为WG、LWG和FWG电极的Nyquist图；图4f为FWG电极与先前报道的石墨基负极容量的比较；图4g为WG、LWG和FWG的长期循环性能。

图5：WG和FWG的电化学动力学分析

图5a,b展示了在0.1-1.0mV/s不同扫描速率下的CV曲线；图5c为还原峰的log(i)与log(v)之间的线性图；图5d为GITT测量的电压曲线与锂化程度的关系；图5e为GITT测量中电压与时间的放大曲线；图5f为GITT测量得到的锂离子扩散系数；图5g为锂离子扩散示意图。

图6：全电池的电化学性能

图6a展示了全电池的示意图；图6b为WG||LFP和FWG||LFP全电池在0.2C下的初始充放电曲线；图6c为WG||LFP和FWG||LFP全电池在1.0C下的循环性能。

图7：补充材料

此图展示了研究中的补充数据和分析结果，为主要研究发现提供了额外的支持证据。