【期刊】超快回收富缺陷废旧石墨为高倍率、长循环稳定锂电负极材料

背景介绍

石墨由于具有优异的电化学性能而被作为锂离子电池负极材料广泛使用。然而石墨独特的层状结构以及石墨层间Li⁺缓慢的扩散动力学导致其大倍率性能较差，限制了其作为快充锂离子电池负极材料的应用。目前，已经报道了一系列的策略来改善其倍率性能，例如造孔、膨胀石墨、掺杂等。虽然这些策略可以一定程度上提高石墨的倍率性能，但是它们也会不可避免地破坏石墨的层状结构，降低其振实密度，并且繁琐的制备工艺限制了其大规模的实际应用。此外，近年来手机电脑等便携式设备以及新能源车的使用量发生了剧增，这些电子产品的更新换代和新能源车辆电池的报废将带来大量的废旧锂离子电池。目前常见的回收方法如湿法回收、火法回收等对环境污染较大，回收效果有限，回收成本较高，并且回收后再生石墨的性能并不理想。因此，探索一种既能实现废旧石墨回收，又能简化制备工艺得到高倍率型石墨的新策略尤为重要。

研究方法

石墨在反复充放电过程中会产生大量的碳缺陷和结构缺陷。缺陷虽然会损坏石墨的层状结构，但可以加以利用，使回收石墨具有优异的倍率性能。因此我们利用非平衡的高温热冲击（HTS）方法，在60s内实现了废旧石墨的再石墨化，并且由于其极快的加热，冷却速率和较短的保温时间，废旧石墨中的部分缺陷也得以保留。

成果简介

通过高温热冲击法（HTS）在60s内实现了废旧石墨的再石墨化，并且由于其极快的加热，冷却速率和较短的保温时间，废旧石墨中的部分缺陷也得以保留。最终得到石墨化程度较高的富缺陷再生石墨(DRG)，具有优异的结构稳定性和倍率性能。在0.5C下循环1000圈后依旧具有375mAh/g的充电比容量；在2C下，循环500圈后依旧具有323 mAh/g的充电比容量，远优于商业石墨（CG，120 mAh/g）。DRG优异的电化学性能主要是由于在超快加热和冷却过程中石墨层状结构的恢复和废旧石墨（SG)中部分缺陷的保留。被保留的缺陷可以有效地降低总应变能，加快相变动力学和Li⁺扩散动力学。此外在回收废旧石墨的同时我们也实现了锂和铜的一步直接回收。本研究为指导废旧石墨的再生和通过缺陷工程设计高倍率型电极材料提供了一种简便的策略。

图文导读

图1.普通再生石墨（RG）和高温热冲击法得到的富缺陷再生石墨（DRG）的合成示意图。

图2.SG、CG和DRG的(a) XRD图谱；(b) Raman光谱；(c)I_D/I_G和I_G/I_2D比值；(d) XPS光谱；(e)，(f)DRG和CG的C的XPS拟合谱。

图3.(a，f)DRG，CG的HRTEM图像；(b，g)局部放大图；(c，h)对应的FFT图像。(d，i)IFFT图像，“T”表示位错。(e，j)exy的应变分布（压缩应变：绿色到蓝色，拉伸应变：红色到黄色）。

图4.(a)SG、CG，DRG倍率性能；（b）SG、CG，DRG 0.5C循环性能 C；(c)CG，DRG 2C循环性能；(d，e)DRG，CG前两圈CV曲线；(f)变扫速CV；(g)电化学阻抗谱；(h）GITT。

图5.（a,b）半电池和全电池首圈充放电曲线；（c,d）半电池和全电池1C循环曲线。

图6.锂和铜的一步直接回收过程示意图。

作者简介

陈亚楠，天津大学"英才计划"特聘研究员，博士生导师，清华大学"卓越学者"，中国科协青年人才托举项目入选者。主要从事新材料制备及其在新能源领域的应用, 研究兴趣包括：高温热冲击技术(HTS)、纳米材料超快速合成（纳米制造）、亚稳态材料宏量制备、能源存储（锂/钠离子电池）、能源转换（绿氢及燃料电池）。现已在Nature Energy、Adv. Mater.、 Nature Comm.、Science Advances、JACS等高影响力期刊上发表研究论文100余篇，论文引用近7000次，多篇论文入选高被引论文。申请美国专利4项，国内专利10余项，专利转化二项（转化金额360万）。承担国家科技基金173计划，重大研究计划培育项目，国家自然科学基金面上项目，中国科协青年人才托举项目，天津市青年人才托举项目，企业产学研项目等多项课题。担任国家自然科学基金，瑞士科学基金，中国科协青年托举项目，科技奖励，工信部创新创业大赛等评审专家。担任中国材料研究学会副秘书长，副主任；中国科技期刊卓越行动计划SCI期刊Progress in Natural Science-Materials International 副主编。中国最大的自主科技直播传播平台"科研云"发起人。

胡文彬，天津大学教授，主要从事材料表面工程技术、金属基复合材料、纳米金属材料的可控制备与应用基础的研究与开发。在Nature Energy、Nature Communication、 Chem. Soc. Rev.、 Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Nano Energy、Chem. Mater.、J. Mater. Chem. A、J. Power Sources、Corrosion Sci. 等学术期刊发表SCI收录论文370多篇，被SCI他引9000多次，出版著作或教材4本；作为第一完成人，获得国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖3项。国家杰出青年科学基金（2011年）、国务院政府津贴（2012年）获得者，中组部万人计划科技领军人才（2017年），科技部创新人才推进计划重点领域创新团队“能源领域用关键材料”负责人。兼任国务院学科评议组成员、教育部科技委材料学部委员、中国腐蚀与防护学会副理事长、中国材料研究学会理事、中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事等；同时兼任《材料导报》编委副主任以及《Science China Materials》、《无机材料学报》、《中国有色金属学报》等期刊编委。

文章信息

Luo J, Zhang J, Guo Z, et al. Recycle spent graphite to defect-engineered, high-power graphite anode. Nano Research, 2022, https://doi.org/10.1007/s12274-022-5244-z.

识别二维码或点击左下角“阅读原文”可访问全文

---

推荐阅读

蔻享学术 平台介绍

蔻享学术平台，国内领先的一站式科学资源共享平台，依托国内外一流科研院所、高等院校和企业的科研力量，聚焦前沿科学，以优化科研创新环境、传播和服务科学、促进学科交叉融合为宗旨，打造优质学术资源的共享数据平台。

识别二维码，

下载 蔻享APP  查看最新资源数据。

点击阅读原文，查看更多！