湘潭大学王先友ACS.energyfuels：废旧锂离子电池石墨负极制备多孔还原石墨烯及其超电容性能

研究背景

随着锂离子电池（LIBs）的广泛应用，废旧电池的回收利用成为了环境保护和资源再利用的重点。废旧锂离子电池中的石墨负极材料往往被忽视，而这些废弃石墨不仅会造成环境污染，还具有很高的回收价值。传统的回收方法包括热处理、酸浸等，但其效率较低，且不适合用于高性能超级电容器的电极材料。石墨由于锂离子反复嵌入和脱嵌，其层间距增大，使其成为制备多孔石墨烯的理想原料。因此，通过回收废弃锂离子电池的石墨负极，制备用于超级电容器的高效石墨烯电极材料，既可以降低生产成本，又可以减少环境污染。

内容简介

本文提出了一种基于改进的Hummers法从废旧锂离子电池中的废弃石墨（WG）制备多孔还原氧化石墨烯（p-rGO）的方法。通过冷冻干燥技术和KOH活化，成功制备出比表面积高达1699.2 m²/g的多孔石墨烯，展现了优异的电化学性能。p-rGO作为超级电容器电极材料，具有215.4 F/g的高比电容和93%的循环稳定性，经过10000次循环后保持其电容的93%。此外，组装的对称超级电容器在250 W/kg的功率密度下展现了11.4 Wh/kg的高能量密度。因此，该工作为废弃石墨的高值再利用提供了一种低成本、高效率的解决方案。

图文导读

该图展示了废弃石墨在制备石墨烯氧化物（GO）过程中经过的氧化反应步骤。通过氧化过程，石墨的层间距增大，表面产生了许多含氧官能团，为后续的石墨烯还原和多孔结构的形成提供了基础。

该图展示了GO、rGO和p-rGO的扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像。rGO表现出光滑的表面结构，而p-rGO在KOH活化后展现了多孔结构，具有丰富的微孔、中孔和大孔组合，为离子传输提供了良好的通道。

X射线衍射（XRD）图像显示，随着氧化和还原反应的进行，GO和rGO的晶体结构发生了显著变化。拉曼光谱中，p-rGO的D/G强度比增加，表明其具有更多的缺陷和更高的无序度，有利于电化学性能的提升。

该图展示了p-rGO在超级电容器中的电化学性能，包括循环伏安曲线（CV）、恒流充放电曲线（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）。p-rGO展现了理想的双电层电容特性和优异的电荷转移能力，说明其在离子扩散和电荷传输方面具有优势。

结论

本文通过改进的Hummers法和冷冻干燥技术，成功从废弃锂离子电池石墨负极中制备了多孔还原氧化石墨烯（p-rGO）。该材料具有高比表面积和丰富的多孔结构，在超级电容器电极材料中表现出优异的电化学性能。实验结果表明，p-rGO在高电流密度和长循环次数下仍能保持优异的比电容和能量密度，具有广泛的应用潜力。未来的研究可以进一步优化该方法，探索其在其他能量存储设备中的应用，并推广其大规模的工业化应用。

Preparation and Supercapacitive Behaviors of the Porous Reduced Graphene Derived from the Graphite Anode of Spent Lithium-Ion Batteries

第一作者：刘鹏

通讯作者：王先友

通讯单位：湘潭大学

文献链接：https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.4c02924

团队信息：湘潭大学新型储能电池及关键材料创新团队，由俄罗斯工程院外籍院士、英国皇家化学会会士(FRSC)、斯坦福大学全球前2%顶尖科学家、连续10年“高被引中国学者”王先友教授领衔，依托“新能源装备及储能材料与器件国家国际科技合作基地”、“新型储能电池关键材料制备技术国家地方联合工程实验室”等科研平台，主要研究方向为电化学能源储存与转换及先进能源材料，在该领域拥有大量科研成果。本文是该团队针对废旧锂离子电池石墨负极长期被忽视，‍因而存在巨大资源浪费、严重安全隐患和“黑色污染”等环境风险，与湖南金阳烯碳新材料有限公司产学研结合，实现其高值化利用的成果之一。第一作者刘鹏，硕士研究生。