直接快速高溫修復(fù)廢舊石墨的方法

研究背景

回收廢舊的石墨變得越來越重要，這有助于保護(hù)自然資源，減少浪費(fèi)，并提供經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。然而，目前的再生方法通常存在使用有害化學(xué)物質(zhì)、高能耗和高時(shí)間消耗以及可擴(kuò)展性差的問題。在此，我們報(bào)告了一個(gè)連續(xù)高溫加熱(≈2000 K)過程，以直接和快速地對(duì)含雜質(zhì)的廢舊石墨進(jìn)行修復(fù)。

成果簡(jiǎn)介

設(shè)計(jì)了一個(gè)傾斜的碳加熱器來提供連續(xù)的加熱源，這使得能夠?qū)囟确植歼M(jìn)行可靠的控制，與傳統(tǒng)的熔爐加熱相比，消除了熱傳遞的熱障。當(dāng)退化的石墨滾下傾斜的加熱器時(shí)，向上循環(huán)的過程可以在0.1秒內(nèi)完成，這使得可以大規(guī)模生產(chǎn)向上循環(huán)的石墨。高溫加熱去除了雜質(zhì)，提高了石墨化度和(002)層間距，使循環(huán)石墨更適合嵌脫鋰。組裝的循環(huán)石墨||Li電池在1 C下顯示出約320 mAh g-1的高可逆容量，500次循環(huán)后容量保持率為96%，與當(dāng)前最先進(jìn)的循環(huán)石墨相當(dāng)。該方法是一種不含化學(xué)物質(zhì)的、快速的和可修復(fù)的方式來回收退化的石墨，并且適用于回收其他電極材料。該工作以“Direct and Rapid High-Temperature Upcycling of Degraded Graphite”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。

研究亮點(diǎn)

(1）設(shè)計(jì)了一個(gè)傾斜的碳加熱器來提供連續(xù)的加熱源，當(dāng)退化的石墨滾下傾斜的加熱器時(shí)，向上循環(huán)的過程可以在0.1秒內(nèi)完成。

(2) 去除廢舊石墨中的雜質(zhì)使循環(huán)石墨更適合嵌脫鋰。

(3) 組裝的循環(huán)Graphite||Li電池在1 C下顯示出約320 mAh g-1的高可逆容量，500次循環(huán)后容量保持率為96%。

圖文導(dǎo)讀

我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)連續(xù)的高溫裝置，直接快速地從LIBs中回收廢舊石墨（DG）。該裝置的特征在于傾斜碳紙薄膜的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)(厚度:190微米；長(zhǎng)度:5厘米；寬度:2厘米；傾斜膜和水平面之間的角度:50度)，其可以通過焦耳加熱產(chǎn)生具有穩(wěn)定、均勻和受控溫度分布的超高溫，并且能夠超快分解雜質(zhì)。通過在加熱器頂部?jī)A倒DG，在加熱過程中，石墨粉在重力作用下(沒有施加力)沿著加熱器從上到下滾動(dòng)。焦耳加熱的碳紙可以達(dá)到大約3000 K的溫度。因此，雜質(zhì)的分解速度更快，在石墨顆粒滾下通電加熱器所需的0.1秒內(nèi)完成(總體降低了能耗)。

之后，可以在傾斜加熱器的底部收集UG粉末。這樣，我們就有能力大規(guī)模地持續(xù)修復(fù)DG。作為概念驗(yàn)證，我們?cè)诖蠹s1970 K的恒定溫度下通過這種連續(xù)高溫裝置成功地對(duì)DG進(jìn)行了修復(fù)。修復(fù)過程中加熱器和石墨的空間溫度分布每隔1/30 s使用紅外攝像機(jī)進(jìn)行記錄。向上循環(huán)過程在0.1秒的短時(shí)間內(nèi)完成(圖2b)。通電加熱器和石墨的最高溫度分別為約1970 K和約1530 K，這兩個(gè)溫度都高于雜質(zhì)完全分解所需的溫度(約873 K)。如此高的溫度確保了雜質(zhì)的快速分解/去除。加熱溫度可以調(diào)整到3000 K，以進(jìn)一步優(yōu)化UG的性能。

圖1。石墨陰極的直接和快速高溫循環(huán)。傾斜碳紙加熱器的示意圖，其中在惰性氣氛下，降解的石墨粉從加熱的碳紙的頂部快速滾下。退化的石墨含有雜質(zhì)，如SEI、粘合劑和殘留的電解質(zhì)，而高溫循環(huán)后的樣品顯示出不含雜質(zhì)的純石墨

使用了從廢棄的18650型電池中收集的DG。如此獲得的DG顯示了由于使用粘合劑而導(dǎo)致的顆粒團(tuán)聚，而在UG中沒有觀察到顆粒團(tuán)聚，這意味著成功去除了粘合劑。進(jìn)行了掃描電子顯微鏡-能量色散譜以進(jìn)一步揭示兩個(gè)樣品的元素組分。雜質(zhì)附著在DG表面，而UG表面光滑，沒有雜質(zhì)。DG包含原子百分比分別為92.71 %、3.71 %、3.04%和0.54%的C、O、F和P元素。

圖2。高溫循環(huán)過程及降解和循環(huán)石墨的形態(tài)。a)傾斜的碳紙加熱器的圖像，其中退化的石墨粉從加熱的碳紙的頂部快速滾落到底部。b)與雜質(zhì)完全分解所需的溫度相比，每隔1/30秒通過紅外照相機(jī)收集加熱的碳加熱器和石墨的溫度分布。d）退化的和e)加熱后的石墨的數(shù)字圖像。f)降解的和g)修復(fù)的石墨的相應(yīng)SEM圖像

在修復(fù)循環(huán)后，UG含有C，較少的O(僅0.1%)和接近0%的F和P，類似于新鮮石墨。傅里葉變換紅外光譜(FTIR)結(jié)果也表明，由于UG中C=O振動(dòng)(即1093cm-1和1049cm-1)的消失，O被成功去除。除了成功去除雜質(zhì)之外，上循環(huán)工藝還通過增加石墨化度和(002)面的層間間距來恢復(fù)和改善碳的晶體結(jié)構(gòu)。DG呈現(xiàn)出不連續(xù)的石墨層和大量缺陷，這從快速傅立葉變換(FFT)及其相應(yīng)的逆FFT圖像中的分裂斑點(diǎn)可以看出。鋰的嵌入和脫出導(dǎo)致石墨結(jié)構(gòu)的惡化。

圖3。退化和修復(fù)石墨的形態(tài)、元素分布和含量。a)降解的和b)修復(fù)的石墨的SEM圖像和元素圖。c)退化和d)修復(fù)的石墨的元素含量。e)降解和修復(fù)的石墨的FTIR光譜。f)降解的(包含SEI層)和g)修復(fù)的石墨的TEM圖像

與DG相反，UG顯示出連續(xù)的石墨層和較少的缺陷，如FFT和逆FFT結(jié)果(清晰(002)平面)所示。。由于雜質(zhì)的存在，在DG中發(fā)現(xiàn)熒光峰，而在UG中熒光峰消失。D和G帶歸因于sp2雜化碳的呼吸和拉伸模式，并且它們的強(qiáng)度比(即ID/IG)指示石墨化的程度，其中高石墨化度導(dǎo)致小的ID/IG比。DG顯示ID/IG比率為0.25。相比之下，在修復(fù)循環(huán)后，ID/IG比下降至0.09，與新鮮石墨相當(dāng)(ID/IG = 0.10)。拉曼光譜結(jié)果表明，高溫處理去除了雜質(zhì)，提高了碳的石墨化度。此外，與DG相比，在UG中還發(fā)現(xiàn)(002)處的層間距增加。

圖4。退化和修復(fù)石墨的結(jié)構(gòu)演變。a)降級(jí)和b)修復(fù)石墨的HRTEM、FFT和逆FFT圖像。c)具有降解和修復(fù)石墨的ID/IG比的拉曼光譜。d，e)退化和修復(fù)石墨的X射線衍射圖，顯示它們?cè)?002)的層間間距。

我們進(jìn)一步研究了UG的電化學(xué)性能，以突出我們的修復(fù)循環(huán)方法的有效性。UG||Li電池使用基于LiPF6的電解質(zhì)和2 mg cm-2的質(zhì)量負(fù)荷組裝。UG||Li在0.2 C和1.0 C下的充電/放電曲線顯示了與新鮮石墨相當(dāng)?shù)碾妷浩脚_(tái)，表明我們的工藝成功地恢復(fù)了DG的結(jié)構(gòu)。初始循環(huán)性能證實(shí)了SEI層的去除。

UG||Li電池在0.2 C時(shí)的初始庫侖效率為90%，而不是100%。這表明在UG表面上形成了新的SEI層，并且驗(yàn)證了我們的上循環(huán)策略已經(jīng)去除了DG表面上的SEI層。組裝的UG||Li電池還在不同電流下經(jīng)受長(zhǎng)期循環(huán)測(cè)試。經(jīng)過200次循環(huán)后，UG在0.2 C下保持約350 mAh g-1的可逆容量而沒有容量衰減，大大超過了DG。在1 C的較高倍率下，UG表現(xiàn)出約320 mAh g-1的高可逆容量，500次循環(huán)后容量保持率為96%。UG的這種長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性與新鮮石墨幾乎無法區(qū)分，與文獻(xiàn)中報(bào)道的最新再生石墨相當(dāng)。電池性能結(jié)果表明，我們的快速高溫加熱成功地對(duì)DG進(jìn)行了修復(fù)。值得注意的是，與其他快速加熱方法相比，我們的工作將處理時(shí)間顯著減少到約0.1 s，并且連續(xù)加熱設(shè)置有利于UG的大規(guī)模生產(chǎn)。

圖5。修復(fù)石墨的電池性能。電流密度為a) 0.2 C和b) 1 C時(shí)UG||Li電池的電壓曲線。電流密度為c) 0.2 C和d) 1 C時(shí)UG||Li電池的長(zhǎng)期循環(huán)性能。e)通過幾種代表性方法獲得的回收石墨的比容量和容量保持率的比較，包括我們的快速循環(huán)、快速焦耳加熱、電解、和酸浸和燒結(jié)[32]以及它們回收降解石墨的處理時(shí)間

總結(jié)與展望

開發(fā)了一種連續(xù)高溫加熱法來修復(fù)廢舊石墨，能夠去除SEI層和粘合劑等雜質(zhì)，并恢復(fù)石墨晶體結(jié)構(gòu)。使用傾斜的碳加熱器來提供連續(xù)的加熱源，這可以容易地調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)不同的溫度。通過在傾斜加熱器的頂部?jī)A倒DG，在大約2000 K的加熱過程中，粉末從加熱器的頂部向下滾動(dòng)。向上循環(huán)過程很快(僅大約0.1 s)，并使DG能夠連續(xù)加熱。與更適合鋰嵌入和脫嵌的DG相比，所得UG顯示出無殘留雜質(zhì)、高度石墨化和在(002)處增加的層間距。當(dāng)在組裝的UG||Li電池中使用UG時(shí)，電池在1 C下表現(xiàn)出約320 mAh g-1的高可逆容量，500次循環(huán)后容量保持率為96%。這項(xiàng)工作提出了一種有前景的可擴(kuò)展方法，直接快速地從廢LIBs中回收DG，并有可能應(yīng)用于其他陰極/陰極材料，顯著減少時(shí)間消耗并提高生產(chǎn)率。

審核編輯：劉清