华中科技大学《Small》：变废为宝！一步剥离废石墨，构建锂硫电池的低成本阴极

成果简介

随着锂离子电池（LIB）的蓬勃发展，锂离子电池废石墨（SG）的回收和再利用变得越来越重要。与此同时，为锂硫（Li-S）电池开发低成本、高效率的碳宿主在过去十年中也得到了广泛关注。然而，碳材料作为硫宿主的加工过程往往耗能且复杂。本文，华中科技大学李真 教授、黄云辉 教授等在《Small》期刊发表名为“Waste to Wealth: One-Step Exfoliating of Spent Graphite to Build a Low-Cost Cathode for Lithium–Sulfur Batteries”的论文，研究提出了一种简单而环保的策略，即重复使用 SG 来制备用于锂-S 电池的石墨烯/硫复合阴极。由于 SG 的层间距和缺陷扩大，硫分子可通过球磨将其剥离成石墨烯型宿主。通过优化 S/SG 比率和球磨时间，制备的含硫量为 70 wt.% 的石墨烯/硫复合阴极显示出 1000 mAh g-1 的高容量。当硫含量达到 4.68 mg cm-2 时，石墨烯/硫阴极可在 400 次循环后保持 526 mAh g-1 的容量。这项研究为从锂电池中回收废石墨以重新用于锂-S 电池提供了一个新颖的变废为宝的视角。

图文导读

图1、a） SG 粉末收集程序示意图。b） SG 和 c） FG 的 SEM 图像。d） XRD 图谱和 e） SG 和 FG 的拉曼光谱。SG 的高分辨率 XPS 光谱：f） C 1s 和 g） O 1s。

图2、a) S/SG-BM 的制备过程示意图；b,c) S/SG-BM 的 SEM 图像；d) S/SG-BM 的 SEM 图像和相应的 EDS 元素图谱；e) 拉曼光谱；f) 50%S/SG-BM、60%S/SG-BM、70%S/SG-BM 和 80%S/SG-BM 的 ID/IG 值。g) 50%S/SG-BM、60%S/SG-BM、70%S/SG-BM 和 80%S/SG-BM 的 CV 曲线、h) 第 30 个循环的电压曲线和 i) 循环性能。j) 50%S/SG-BM、60%S/SG-BM、70%S/SG-BM 和 80%S/SG-BM 的分离器浸泡液的多硫化物吸附测试紫外可见光谱。

图3、a) 脱硫效果随时间变化的示意图（从 4 小时到 16 小时）。b) 拉曼光谱和 c) 70%S/SG-BM 不同球磨时间的 ID/IG 值。d) SG-4h、70%S/SG-4h/CS2 和 70%S/SG-16h/CS2 的 XRD 图。e) 70%S/SG-4h 和 70%S/SG-16h 除硫前后的导电率。f) N2 吸附-解吸等温线曲线。g) 70%S/SG-16h 和 70%S/SG-4h 的接触角测量值。

图4、a) 70%S/SG-4h 和 70%S/SG-16h 的 CV 曲线、b) Galvanostatic 充放电曲线、c) 循环性能、d) 速率性能和 e) 相应的速率充放电曲线。

小结

总之，我们提出了一种简单、环保和经济的方法，可重复利用 SG 制备用于锂-S 电池的 S/SG 阴极。与传统的熔融扩散法相比，球磨法有利于硫分子进入石墨夹层，削弱了层间的范德华力。与 FG 相比，SG 具有独特的物理和化学特性，如多孔结构、缺陷、扩大的层间距和功能极性基团。这些特性有利于 SG 的剥离，并对多硫化物的溶解起到限制作用。我们设定了不同的硫含量，并通过实验验证了最佳硫含量为 70 wt.%。随后，为了进一步提高电极性能，我们通过探讨球磨时间对结构的影响，确定最佳球磨时间为 16 小时。所获得的 70%S/SG-16h 阴极具有优异的整体电化学性能（400 次循环后，0.2 C 时为 526 mAh g-1，2C时为 490mAh g-1），适用于锂-S 电池。这项工作为从锂离子电池中回收SG实现变废为宝提供了一个新的视角。

文献：https://doi.org/10.1002/smll.202406087