回收再生丨中南大学孙伟教授课题组本科生谢思艳ESM：废旧锂离子电池石墨负极材料熔盐法直接再生

废旧锂离子电池石墨负极材料熔盐法直接再生近日，中南大学孙伟教授课题组葛鹏副教授与2021级本科生谢思艳发表了一项关于废旧锂离子电池石墨负极材料直接再生的研究，该研究提出了一种中温废旧石墨回收工艺，利用熔盐法实现石墨负极材料的再生。一、研究背景随着锂离子电池在规模储能、电动汽车等领域的广泛应用，其使用寿命有限（3-10年），导致全球废旧锂离子电池数量急剧增加。废旧锂离子电池若不进行回收处理，将造成严重的环境污染和资源浪费。当前，失效石墨负极的回收利用方法主要包括火法和湿法，但均存在明显缺陷。火法碳排放量高、资源浪费严重；湿法虽能实现关键元素的浸出，但石墨晶相受损，难以复原性能。因此，开发一种低碳高效、绿色经济的石墨直接再生策略显得尤为重要。二、研究内容本研究采用熔盐法直接再生废旧锂离子电池石墨负极材料。通过调控熔盐的熔沸点和离子强度，再生石墨表现出不同的理化特性（层间距离、晶粒尺寸和结晶度），进而影响其电化学性能。研究团队详细分析了再生石墨的动力学特性，并评估了工艺的经济性。三、研究结果理化特性：再生石墨的层间距离、晶粒尺寸和结晶度随熔盐类型的不同而有所变化。通过XRD、拉曼光谱、粒径分布、N2等温吸脱附曲线和FTIR光谱等手段对再生石墨进行了表征。电化学性能：样品RG-Cl在1.0 C下经过200次循环后可显示出约352 mAh g-1的稳定容量，即使在5.0 C下也能表现出约175 mAh g-1的优异容量。熔融液相的强极化特性显著提高了再生石墨层间各向同性，从而提高了其倍率性能。动力学分析：熔融液相环境促进了碳原子的扩散和晶粒的规则生长。再生石墨在充放电过程中表现出快速锂离子扩散行为，这主要归因于其光滑的表面和规则的层间结构。经济性评估：修复废石墨的工艺成本仅为745.74 $ t-1。再生石墨的回收利润约为7250 $ t-1，显示出显著的经济效益。四、研究结论本研究成功将熔盐修复法引入废旧电池石墨负极再生的过程中。熔盐的引入在连续的液相环境和内压的支持下，进一步促进了碳原子的扩散和晶粒的规则生长，最终提高了再生石墨的结晶度和各向同性。通过控制熔盐类型（NaF、NaCl、NaI），可以获得不同时长的持续液相环境和定制的内压来控制修复行为。再生样品表现出不同的修复效果（层间距离、晶粒尺寸和结晶度），并在电化学性能方面展现出优异的性能。此外，经济学分析表明，此工艺具有显著的经济效益。五、研究意义本研究不仅为废旧锂电石墨负极的再生和可持续回收提供了有效的方案，还展示了熔盐法在废旧电池材料回收领域的巨大潜力。该工艺流程简单、经济效益显著，有望推动废旧锂离子电池回收处理技术的进一步发展。六、图片展示图1展示了失效石墨的修复机理、再生石墨的XRD图谱、拉曼光谱、粒径分布、N2等温吸脱附曲线、孔径分布曲线和FTIR光谱等表征结果。图2展示了不同再生石墨样品的XPS和高分辨率C-1s和O-1s光谱，以及储锂容量扩散和表面控制示意图。图3展示了再生石墨的SEM、TEM和SAED图，直观展示了再生石墨的形态学特征。图4展示了再生石墨在不同充放电条件下的循环性能、恒流充放电曲线和微分差容dQ/dV曲线等电化学性能。图5展示了再生石墨的倍率性能、不同速率下的容量占比以及在不同速率下的恒流充放电曲线等。图6展示了再生石墨的循环伏安曲线、峰值电流与扫描速率的关系以及扩散系数等动力学参数。图7展示了再生石墨的Nyquist图、相位与频率的关系、等效电路以及不同循环下的扩散系数等电化学阻抗谱分析结果。图8展示了废旧电池再生利用示意图、熔盐法回收废石墨流程图以及经济分析结果等。七、第一作者介绍谢思艳，中南大学矿物加工专业2021级本科生，研究方向为废旧锂离子电池材料直接再生。学业成绩优异，总排名为2/92，其中大二和大三学年成绩排名均为专业第一。累计获得国家奖学金、学年特等奖学金等20余项荣誉奖励。作为骨干参与多项新能源方向科研项目，发表SCI论文2篇，申请国家专利1项，并主持/参与国家级大创项目2项。