DOI：10.1016/j.ensm.2026.104984

本文使用的焦耳加熱裝置是由合肥原位科技有限公司研發，感謝老師支持與認可！

廢舊鋰離子電池的資源化回收是實現“雙碳"目標的關鍵環節，而石墨陽極作為電池核心部件，其高效再生一直是行業難題。近日，合肥工業大學宋曉輝副教授團隊聯合北京工業大學張興宇副教授，在廢舊鋰離子電池石墨陽極再生領域取得突破性進展，創新研發的一鍋法焦耳加熱技術實現了廢舊石墨的高附加值再生，相關成果發表于國際Z名能源材料期刊《Energy Storage Materials》。

全文概述

當前廢舊石墨回收方法普遍存在能耗高、環境污染、再生材料循環性能衰減等問題，難以滿足實際應用需求。針對這一痛點，研究團隊創新性引入焦耳加熱策略，以硫為中間橋梁在廢舊石墨表面構建出獨特的C-S-P鍵，同時將廢舊陽極殘留雜質直接轉化為 FeS 納米顆粒與無定形Li?PO?涂層，原位形成穩定的人造固態電解質界面（SEI）層。該結構在電池循環中可誘導富含Li?P的高效SEI層生成，大幅增強鋰離子傳輸效率，賦予再生石墨優異的快充性能和結構穩定性。電化學測試表明，再生石墨在3C高倍率下循環3000次后仍保持 101 mAh g?1的比容量，較商業石墨提升近2.5倍，全電池與軟包電池測試也驗證了其優異的工程化應用潛力。此外，該方法兼具經濟與環保優勢，再生1 kg廢舊石墨僅耗能15.38 MJ、成本低至5.79美元，遠優于傳統工藝，為廢舊石墨回收提供了綠色高效的新路徑。

 圖文解析

圖1：焦耳加熱廢舊石墨再生工藝流程和性能提升機制

圖中展示了以廢舊石墨為原料，通過一鍋法焦耳加熱技術，同步完成雜質去除、C-S-P鍵構建及FeS/Li?PO?原位生成的核心改性工藝。同時步闡釋了該改性結構在電池循環中，如何誘導形成高導Li?P基SEI層，并通過多組分協同作用構建高效鋰離子傳輸通道、抑制體積膨脹。結果表明，該結構在電池循環中可誘導富含Li?P的高效SEI層生成，大幅增強鋰離子傳輸效率，賦予再生石墨優異的快充性能和結構穩定性。

圖2：再生石墨電化學性能與離子傳輸動力學綜合表征

通過倍率性能、長循環穩定性、離子擴散動力學及阻抗測試，全面證實再生石墨相較商業石墨的性能優勢：0.1 C至5 C全倍率區間再生石墨比容量均更優，3 C高倍率下循環3000次仍保持101 mAh g?1比容量，結合GITT、CV及EIS測試，進一步驗證Li?P基SEI層大幅提升了鋰離子擴散系數、增強了電容型儲鋰貢獻，同時顯著降低了電荷轉移與SEI膜阻抗，為再生石墨的優異快充性能和循環穩定性提供了關鍵電化學證據。同時，經測算，再生1 kg廢舊石墨僅耗能15.38 MJ、成本低至5.79美元，能耗與成本較傳統工藝分別降低63.2%和 36.3%，且整個過程無需使用酸堿試劑，實現低排放、低耗水，從源頭規避了傳統工藝的污染問題。

總結與展望

本研究針對廢舊鋰離子電池石墨陽極回收面臨的能耗高、污染大、再生材料循環性能衰減等行業痛點，創新開發一鍋法焦耳加熱再生技術，精準破解了廢舊鋰電石墨陽極回收的行業痛點，實現了廢舊石墨高效、綠色、高附加值再生的三重目標，不僅為廢舊石墨陽極的規模化高價值回收提供了切實可行的技術方案，突破了傳統回收工藝的性能與成本雙重瓶頸，也為電池功能材料的界面精準設計提供了全新思路。未來，可聚焦技術產業化的核心難題，重點優化焦耳加熱反應器的連續性、產能設計與副產物管理，推動該工藝從實驗室成果向工業級應用轉化。同時，團隊還將進一步深化多組分協同作用機制研究，結合人工智能與機器學習技術，優化再生工藝參數，精準預測電池性能與壽命，推動廢舊石墨再生技術與電池全生命周期管理的深度融合。

通訊作者簡介

宋曉輝，合肥工業大學材料科學與工程學院副教授，黃山學者學術骨干。2016年博士畢業于新加坡南洋理工大學材料化學專業，獲得理學博士學位。2016-2020年先后在美國UIUC，UC Berkeley, Lawrence Berkeley Lab從事博士后研究工作。從2021年9月開始加入合肥工業大學材料科學與工程學院，承擔教學和科研任務。主要從事微納尺度下電鏡三維重構技術、原位電鏡技術、CT三維重構技術等結合機器學習研究儲能材料的構效關系，致力于微觀尺度下儲能材料的界面行為、結構演變、電極材料及隔膜的設計/合成與性能的研究。在Nature、Nature Nanotechnology、JACS、Nature Communications、ACS Nano、Nano Letters, Small、 ACS Materials Letters、Journal of Membrane Science、Nano Today等國際期刊發表多篇SCI論文。

張興宇，2021年入職北京工業大學數學統計學與力學學院力學系任師資博后（講師、博士后研究員），碩士生導師。2012年、2015年分別本科、碩士畢業于中南大學機電工程學院，機械設計、制造及其自動化及機械工程專業。2020年10月博士畢業于新加坡南洋理工大學機械與宇航學院機械工程專業。在2013年8月至2017年1月期間，在新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院曾任職研究助理工作。獲選2021年博士后國際交流計劃引進項目，2024年北京市高層次留學人才回國資助。在Advanced Science，Nature Communication, Journal of Cleaner Production、Small等高影響因子論文20余篇。