马里兰大学胡良兵——直接快速高温修复废旧石墨

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研究背景

回收废旧的石墨变得越来越重要,这有助于保护自然资源,减少浪费,并提供经济和环境效益。然而,目前的再生方法通常存在使用有害化学物质、高能耗和高时间消耗以及可扩展性差的问题。在此,我们报告了一个连续高温加热(≈2000 K)过程,以直接和快速地对含杂质的废旧石墨进行修复

成果简介

设计了一个倾斜的碳加热器来提供连续的加热源,这使得能够对温度分布进行可靠的控制,与传统的熔炉加热相比,消除了热传递的热障。当退化的石墨滚下倾斜的加热器时,向上循环的过程可以在0.1秒内完成,这使得可以大规模生产向上循环的石墨。高温加热去除了杂质,提高了石墨化度和(002)层间距,使循环石墨更适合嵌脱锂。组装的循环石墨||Li电池在1 C下显示出约320 mAh g-1的高可逆容量,500次循环后容量保持率为96%,与当前最先进的循环石墨相当。该方法是一种不含化学物质的、快速的和可修复的方式来回收退化的石墨,并且适用于回收其他电极材料。该工作以“Direct and Rapid High-Temperature Upcycling of Degraded Graphite”为题发表在Advanced Functional Materials上。

研究亮点

(1)设计了一个倾斜的碳加热器来提供连续的加热源,当退化的石墨滚下倾斜的加热器时,向上循环的过程可以在0.1秒内完成。

(2) 去除废旧石墨中的杂质使循环石墨更适合嵌脱锂。

(3) 组装的循环Graphite||Li电池在1 C下显示出约320 mAh g-1的高可逆容量,500次循环后容量保持率为96%。

图文导读

我们设计了一个连续的高温装置,直接快速地从LIBs中回收废旧石墨(DG)。该装置的特征在于倾斜碳纸薄膜的简单设计(厚度:190微米;长度:5厘米;宽度:2厘米;倾斜膜和水平面之间的角度:50度),其可以通过焦耳加热产生具有稳定、均匀和受控温度分布的超高温,并且能够超快分解杂质。通过在加热器顶部倾倒DG,在加热过程中,石墨粉在重力作用下(没有施加力)沿着加热器从上到下滚动。焦耳加热的碳纸可以达到大约3000 K的温度。因此,杂质的分解速度更快,在石墨颗粒滚下通电加热器所需的0.1秒内完成(总体降低了能耗)。之后,可以在倾斜加热器的底部收集UG粉末。这样,我们就有能力大规模地持续修复DG。作为概念验证,我们在大约1970 K的恒定温度下通过这种连续高温装置成功地对DG进行了修复。修复过程中加热器和石墨的空间温度分布每隔1/30 s使用红外摄像机进行记录。向上循环过程在0.1秒的短时间内完成(图2b)。通电加热器和石墨的最高温度分别为约1970 K和约1530 K,这两个温度都高于杂质完全分解所需的温度(约873 K)。如此高的温度确保了杂质的快速分解/去除。加热温度可以调整到3000 K,以进一步优化UG的性能。

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图1。石墨阴极的直接和快速高温循环。倾斜碳纸加热器的示意图,其中在惰性气氛下,降解的石墨粉从加热的碳纸的顶部快速滚下。退化的石墨含有杂质,如SEI、粘合剂和残留的电解质,而高温循环后的样品显示出不含杂质的纯石墨

使用了从废弃的18650型电池中收集的DG。如此获得的DG显示了由于使用粘合剂而导致的颗粒团聚,而在UG中没有观察到颗粒团聚,这意味着成功去除了粘合剂。进行了扫描电子显微镜-能量色散谱以进一步揭示两个样品的元素组分。杂质附着在DG表面,而UG表面光滑,没有杂质。DG包含原子百分比分别为92.71 %、3.71 %、3.04%和0.54%的C、O、F和P元素。

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图2。高温循环过程及降解和循环石墨的形态。a)倾斜的碳纸加热器的图像,其中退化的石墨粉从加热的碳纸的顶部快速滚落到底部。b)与杂质完全分解所需的温度相比,每隔1/30秒通过红外照相机收集加热的碳加热器和石墨的温度分布。d)退化的和e)加热后的石墨的数字图像。f)降解的和g)修复的石墨的相应SEM图像

在修复循环后,UG含有C,较少的O(仅0.1%)和接近0%的F和P,类似于新鲜石墨。傅里叶变换红外光谱(FTIR)结果也表明,由于UG中C=O振动(即1093cm-1和1049cm-1)的消失,O被成功去除。除了成功去除杂质之外,上循环工艺还通过增加石墨化度和(002)面的层间间距来恢复和改善碳的晶体结构。DG呈现出不连续的石墨层和大量缺陷,这从快速傅立叶变换(FFT)及其相应的逆FFT图像中的分裂斑点可以看出。锂的嵌入和脱出导致石墨结构的恶化。

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图3。退化和修复石墨的形态、元素分布和含量。a)降解的和b)修复的石墨的SEM图像和元素图。c)退化和d)修复的石墨的元素含量。e)降解和修复的石墨的FTIR光谱。f)降解的(包含SEI层)和g)修复的石墨的TEM图像

与DG相反,UG显示出连续的石墨层和较少的缺陷,如FFT和逆FFT结果(清晰(002)平面)所示。。由于杂质的存在,在DG中发现荧光峰,而在UG中荧光峰消失。D和G带归因于sp2杂化碳的呼吸和拉伸模式,并且它们的强度比(即ID/IG)指示石墨化的程度,其中高石墨化度导致小的ID/IG比。DG显示ID/IG比率为0.25。相比之下,在修复循环后,ID/IG比下降至0.09,与新鲜石墨相当(ID/IG = 0.10)。拉曼光谱结果表明,高温处理去除了杂质,提高了碳的石墨化度。此外,与DG相比,在UG中还发现(002)处的层间距增加。

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图4。退化和修复石墨的结构演变。a)降级和b)修复石墨的HRTEM、FFT和逆FFT图像。c)具有降解和修复石墨的ID/IG比的拉曼光谱。d,e)退化和修复石墨的X射线衍射图,显示它们在(002)的层间间距。

我们进一步研究了UG的电化学性能,以突出我们的修复循环方法的有效性。UG||Li电池使用基于LiPF6的电解质和2 mg cm-2的质量负荷组装。UG||Li在0.2 C和1.0 C下的充电/放电曲线显示了与新鲜石墨相当的电压平台,表明我们的工艺成功地恢复了DG的结构。初始循环性能证实了SEI层的去除。

UG||Li电池在0.2 C时的初始库仑效率为90%,而不是100%。这表明在UG表面上形成了新的SEI层,并且验证了我们的上循环策略已经去除了DG表面上的SEI层。组装的UG||Li电池还在不同电流下经受长期循环测试。经过200次循环后,UG在0.2 C下保持约350 mAh g-1的可逆容量而没有容量衰减,大大超过了DG。在1 C的较高倍率下,UG表现出约320 mAh g-1的高可逆容量,500次循环后容量保持率为96%。UG的这种长期循环稳定性与新鲜石墨几乎无法区分,与文献中报道的最新再生石墨相当。电池性能结果表明,我们的快速高温加热成功地对DG进行了修复。值得注意的是,与其他快速加热方法相比,我们的工作将处理时间显著减少到约0.1 s,并且连续加热设置有利于UG的大规模生产。

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图5。修复石墨的电池性能。电流密度为a) 0.2 C和b) 1 C时UG||Li电池的电压曲线。电流密度为c) 0.2 C和d) 1 C时UG||Li电池的长期循环性能。e)通过几种代表性方法获得的回收石墨的比容量和容量保持率的比较,包括我们的快速循环、快速焦耳加热、电解、和酸浸和烧结[32]以及它们回收降解石墨的处理时间

总结与展望

开发了一种连续高温加热法来修复废旧石墨,能够去除SEI层和粘合剂等杂质,并恢复石墨晶体结构。使用倾斜的碳加热器来提供连续的加热源,这可以容易地调节来实现不同的温度。通过在倾斜加热器的顶部倾倒DG,在大约2000 K的加热过程中,粉末从加热器的顶部向下滚动。向上循环过程很快(仅大约0.1 s),并使DG能够连续加热。与更适合锂嵌入和脱嵌的DG相比,所得UG显示出无残留杂质、高度石墨化和在(002)处增加的层间距。当在组装的UG||Li电池中使用UG时,电池在1 C下表现出约320 mAh g-1的高可逆容量,500次循环后容量保持率为96%。这项工作提出了一种有前景的可扩展方法,直接快速地从废LIBs中回收DG,并有可能应用于其他阴极/阴极材料,显著减少时间消耗并提高生产率。

文献链接:

Li, T., Tao, L., Xu, L., Meng, T., Clifford, B. C., Li, S., Zhao, X., Rao, J., Lin, F., Hu, L., Direct and Rapid High-Temperature Upcycling of Degraded Graphite. Adv. Funct. Mater. 2023, 2302951.原文链接https://doi.org/10.1002/adfm.202302951

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