应用成果

DOI：10.1016/j.ensm.2026.104984

第一作者：巫显麒

通讯作者：宋晓辉、张兴宇

通讯单位：合肥工业大学（第一/通讯单位）、北京工业大学

废旧锂离子电池的资源化回收是实现“双碳”目标的关键环节，而石墨阳极作为电池核心部件，其高效再生一直是行业难题。近日，合肥工业大学宋晓辉副教授团队联合北京工业大学张兴宇副教授，在废旧锂离子电池石墨阳极再生领域取得突破性进展，创新研发的一锅法焦耳加热技术实现了废旧石墨的高附加值再生，相关成果发表于国际知名能源材料期刊《Energy Storage Materials》（合肥工业大学为第一通讯单位）。第一作者为材料科学与工程学院硕士研究生巫显麒，通讯作者为宋晓辉副教授，共同通讯作者为北京工业大学张兴宇副教授。

全文概述

当前废旧石墨回收方法普遍存在能耗高、环境污染、再生材料循环性能衰减等问题，难以满足实际应用需求。针对这一痛点，研究团队创新性引入焦耳加热策略，以硫为中间桥梁在废旧石墨表面构建出独特的C-S-P键，同时将废旧阳极残留杂质直接转化为 FeS 纳米颗粒与无定形Li₃PO₄涂层，原位形成稳定的人造固态电解质界面（SEI）层。该结构在电池循环中可诱导富含Li₃P的高效SEI层生成，大幅增强锂离子传输效率，赋予再生石墨优异的快充性能和结构稳定性。电化学测试表明，再生石墨在3C高倍率下循环3000次后仍保持 101 mAh g⁻¹的比容量，较商业石墨提升近2.5倍，全电池与软包电池测试也验证了其优异的工程化应用潜力。此外，该方法兼具经济与环保优势，再生1 kg废旧石墨仅耗能15.38 MJ、成本低至5.79美元，远优于传统工艺，为废旧石墨回收提供了绿色高效的新路径。

图文解析

图1：焦耳加热废旧石墨再生工艺流程和性能提升机制

图中展示了以废旧石墨为原料，通过一锅法焦耳加热技术，同步完成杂质去除、C-S-P键构建及FeS/Li₃PO₄原位生成的核心改性工艺。同时步阐释了该改性结构在电池循环中，如何诱导形成高导Li₃P基SEI层，并通过多组分协同作用构建高效锂离子传输通道、抑制体积膨胀。结果表明，该结构在电池循环中可诱导富含Li₃P的高效SEI层生成，大幅增强锂离子传输效率，赋予再生石墨优异的快充性能和结构稳定性。

图2：再生石墨电化学性能与离子传输动力学综合表征

通过倍率性能、长循环稳定性、离子扩散动力学及阻抗测试，全面证实再生石墨相较商业石墨的性能优势：0.1 C至5 C全倍率区间再生石墨比容量均更优，3 C高倍率下循环3000次仍保持101 mAh g⁻¹比容量，结合GITT、CV及EIS测试，进一步验证Li₃P基SEI层大幅提升了锂离子扩散系数、增强了电容型储锂贡献，同时显著降低了电荷转移与SEI膜阻抗，为再生石墨的优异快充性能和循环稳定性提供了关键电化学证据。同时，经测算，再生1 kg废旧石墨仅耗能15.38 MJ、成本低至5.79美元，能耗与成本较传统工艺分别降低63.2%和 36.3%，且整个过程无需使用酸碱试剂，实现低排放、低耗水，从源头规避了传统工艺的污染问题。

总结与展望

本研究针对废旧锂离子电池石墨阳极回收面临的能耗高、污染大、再生材料循环性能衰减等行业痛点，创新开发一锅法焦耳加热再生技术，精准破解了废旧锂电石墨阳极回收的行业痛点，实现了废旧石墨高效、绿色、高附加值再生的三重目标，不仅为废旧石墨阳极的规模化高价值回收提供了切实可行的技术方案，突破了传统回收工艺的性能与成本双重瓶颈，也为电池功能材料的界面精准设计提供了全新思路。未来，可聚焦技术产业化的核心难题，重点优化焦耳加热反应器的连续性、产能设计与副产物管理，推动该工艺从实验室成果向工业级应用转化。同时，团队还将进一步深化多组分协同作用机制研究，结合人工智能与机器学习技术，优化再生工艺参数，精准预测电池性能与寿命，推动废旧石墨再生技术与电池全生命周期管理的深度融合。

通讯作者简介

宋晓辉，合肥工业大学材料科学与工程学院副教授，黄山学者学术骨干。2016年博士毕业于新加坡南洋理工大学材料化学专业，获得理学博士学位。2016-2020年先后在美国UIUC，UC Berkeley, Lawrence Berkeley Lab从事博士后研究工作。从2021年9月开始加入合肥工业大学材料科学与工程学院，承担教学和科研任务。主要从事微纳尺度下电镜三维重构技术、原位电镜技术、CT三维重构技术等结合机器学习研究储能材料的构效关系，致力于微观尺度下储能材料的界面行为、结构演变、电极材料及隔膜的设计/合成与性能的研究。在Nature、Nature Nanotechnology、JACS、Nature Communications、ACS Nano、Nano Letters, Small、 ACS Materials Letters、Journal of Membrane Science、Nano Today等国际期刊发表多篇SCI论文。

张兴宇，2021年入职北京工业大学数学统计学与力学学院力学系任师资博后（讲师、博士后研究员），硕士生导师。2012年、2015年分别本科、硕士毕业于中南大学机电工程学院，机械设计、制造及其自动化及机械工程专业。2020年10月博士毕业于新加坡南洋理工大学机械与宇航学院机械工程专业。在2013年8月至2017年1月期间，在新加坡南洋理工大学机械与宇航工程学院曾任职研究助理工作。获选2021年博士后国际交流计划引进项目，2024年北京市高层次留学人才回国资助。在Advanced Science，Nature Communication, Journal of Cleaner Production、Small等高影响因子论文20余篇。

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焦耳加热装置

焦耳加热装置是一种新型快速热处理/合成的设备，该设备可使材料在极短（毫秒级/秒级）时间内达到极高的温度（1000~3000℃），升温速率最快可达到10000k/s；通过对材料的极速升温，可考察材料在极端环境、剧烈热震情况下的物性改变，可通过极速升降温制备纳米尺度颗粒，单原子催化剂，高熵合金等。目前广泛应用在电池材料、催化剂、碳材料、陶瓷材料、金属材料、塑料降解、生物质等领域。