焦耳热0.1秒实现废旧石墨负极绿色再生

锂离子电池（LIBs）因其高能量密度和长寿命，已成为消费电子和电动汽车（EVs）的主要电源，预计到2030年全球电池储能需求将增至600 GW。然而，随着LIBs寿命终结，未来十年内将有大量废旧电池需要回收处理。尤其是石墨负极材料，由于其高电导率和低工作电压，几乎主导了整个负极市场。面对每年预计超过18万吨的废旧石墨产生量，开发一种低成本、高效的回收技术显得尤为迫切。传统的回收方法存在去除粘合剂和SEI层困难、电化学性能恢复缓慢等问题。闪蒸焦耳加热（FJH）技术以其能在毫秒级时间内达到3000 K以上高温的能力，为快速转化前体材料提供了一种新颖的高温合成技术，有望实现废旧石墨的大规模有效回收。

哈尔滨工程大学曹殿学教授与朱凯教授团队在《EcoMat 》上发表了题为“Ultra-fast, low-cost, and green regeneration of graphite anode using flash joule heating method”的论文。本研究开发了一种闪蒸焦耳加热法（FJH），实现了商业锂离子电池石墨负极材料的快速、高效、绿色再生。传统废弃石墨的焚烧处理不仅造成环境污染，还浪费资源。本研究在恒定压力和空气氛围中，能在0.1秒内完成石墨的无污染再生，其电化学性能与新鲜石墨相当。FJH技术利用强电流促进石墨结构的修复与重构，同时去除固体电解质界面（SEI）层，并通过导电剂和粘合剂的热解产物在石墨表面形成导电层，提高其电导率。再生石墨在1 C电流密度下放电容量达350 mAh g^-1，500循环后容量保持率达99%，成本低至每吨77元人民币。该方法具有普适性，支持石墨的多次循环再生，具有显著的商业应用潜力，为废旧电池回收提供了经济可行的环保解决方案，对促进电池回收和循环经济的发展具有重要影响。

本研究深入探讨了闪蒸焦耳加热法（FJH）在废旧锂离子电池石墨负极材料再生中的应用。通过该技术，实现了石墨材料的快速、高效和绿色再生。

图1展示了FJH设备的详细设置，其中使用了一系列独立控制的电容器和石墨棒接触介质，通过调节电容器的数量和电压，实现了不同反应能量的释放，从而对废旧石墨进行快速加热处理。

图2通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）图像，直观地展示了废旧石墨和经过FJH处理后的再生石墨（F-RG）的形貌变化。可以看出，FJH处理显著去除了石墨表面的粘合剂和SEI层，并且促进了石墨材料的剥离，形成了更薄的石墨片层，这有利于提高材料的电导率和电化学性能。

图3进一步通过X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等技术，对F-RG的晶体结构、缺陷状态、化学组成和表面化学状态进行了详细分析。结果表明，FJH处理不仅去除了石墨表面的杂质，还促进了石墨晶体结构的重构，提高了石墨的结晶度。

图4展示了F-RG作为锂离子电池负极材料的电化学性能测试结果。从循环伏安（CV）曲线、恒流充放电（GCD）曲线、不同电流密度下的倍率性能、以及电化学阻抗谱（EIS）和原位电位间歇滴定技术（GITT）结果来看，F-RG展现出了优异的电化学性能，包括高比容量、良好的倍率性能和稳定的循环性能。

此外，本研究还探讨了FJH方法在不同设备产生的废旧石墨再生中的普适性，并尝试将其应用于回收失败电池中的LiFePO4正极材料。尽管FJH技术在正极材料回收方面还有待进一步改进，但其在石墨负极材料的再生中已显示出巨大的商业应用潜力。通过成本分析，证明了FJH方法在经济上的可行性，并且与现有技术相比，具有更高的初始库仑效率（ICE）、几乎完全恢复的容量、非常低的成本和短暂的时间消耗。未来，通过结合压力传感器和机器学习技术，有望进一步提高FJH技术的准确性和处理能力，推动其在实际生产中的应用。