Ultra-fast, low-cost, and green regeneration of graphite anode using flash joule heating method
使用闪蒸焦耳加热方法实现石墨阳极的超快速、低成本、绿色再生
论文亮点
- 超快速再生：在0.1秒内完成石墨再生，无污染物排放，效率极高。
- 低成本：再生成本仅77元人民币/吨，性能与新材料相当，具有经济可行性。
研究背景
- 锂离子电池广泛应用，但废弃电池数量激增，预计未来每年废弃石墨阳极超过18万吨，回收成为关键问题。
- 石墨是主要阳极材料，但回收面临挑战：SEI膜和粘合剂难以去除，电化学性能恢复困难，需要快速、低成本、环保的技术。
- 现有方法如燃烧或酸处理效率低、成本高、污染大，亟需创新解决方案。
研究方法
本研究采用闪蒸焦耳加热（FJH）方法再生废弃石墨阳极，具体步骤如下：
- 样品准备：从废弃锂离子电池中拆卸阳极片，通过超声处理去除铜箔上的石墨粉，在80°C下干燥12小时。
- FJH过程：将100mg废弃石墨放入石英管反应容器中，连接石墨电极和电容器组（容量5.6mF）。充电电容器至200V电压，瞬间释放能量（反应能量可调，如22.4、56、112 kJ/g）。在空气气氛下，石墨在0.1秒内被快速加热至超过3000K，实现再生。
- 表征与分析：使用SEM、TEM、XRD、Raman、XPS、FTIR等手段对再生前后石墨进行表征，评估结构变化和杂质去除效果。
- 电化学测试：将再生石墨作为阳极组装成半电池和全电池（与LiFePO4阴极），进行CV、GCD、EIS等测试，评估电化学性能。
该方法无需强腐蚀溶剂或高温反应炉，绿色环保，且可直接使用产物。
主要结论
- FJH方法有效去除SEI膜、粘合剂和嵌入锂，重建石墨结构，提高石墨化程度。
- 再生石墨具有优异电化学性能：比容量达343 mAh/g（1C下），500次循环后容量保持率99%，倍率性能好。
- 成本极低（77元/吨），适用于多种设备产生的废弃石墨，具有商业应用潜力。
Figure 1: FJH设备示意图和再生过程
内容描述：该图展示了FJH放电设备的示意图和废弃石墨电极材料的再生过程。设备包括电容器、石墨电极和反应容器，能量瞬间释放产生高温。
分析结果：FJH设备结构简单，能快速产生超过3000K的高温，有效去除杂质并重建石墨结构，整个过程在0.1秒内完成，无污染物排放。
Figure 2: SEM和TEM图像 of spent graphite and F-RG
内容描述：该图显示了废弃石墨（A-C）和再生石墨（F-RG, D-F）的SEM和TEM图像，以及元素映射（G: 废弃石墨, H: F-RG）。
分析结果：废弃石墨显示强团聚和厚SEI层（O、F、P元素富集），而F-RG表面光滑，SEI膜完全去除，尺寸减小（平均粒径从28μm降至18μm），分散性改善，表明FJH过程有效碳化粘合剂和气化杂质。
Figure 3: 表征结果（XRD、Raman、FTIR、XPS等）
内容描述：该图展示了废弃石墨和F-RG在不同能量下的XRD图谱（A）、Raman光谱（B）、FTIR光谱（C）、XPS光谱（D）、粒径分布（E）、BET（F）和再生示意图（G）。
分析结果：XRD显示再生石墨层间距增大（3.389Å vs. 3.363Å），利于锂离子嵌入；Raman显示Id/Ig比从0.64降至0.103，表明石墨化程度提高；FTIR和XPS确认杂质去除（C含量从62.6%升至94.21%）；BET显示比表面积增大（68.345 m²/g vs. 1.6907 m²/g），证实结构恢复。
Figure 4: 电化学性能
内容描述：该图展示了再生阳极的电化学性能，包括CV曲线（A）、GCD曲线（B）、倍率性能（C）、GITT曲线（D）和循环性能（E）。
分析结果：再生石墨显示可逆的锂离子嵌入/脱出过程，初始库仑效率91.7%，倍率性能好（0.1C下387 mAh/g，2C下277 mAh/g），电荷转移电阻降低（40Ω vs. 315Ω），500次循环后容量保持率99%，性能优于废弃石墨和接近商业石墨。