同济大学AFM： 2273 K 0.1秒实现废石墨缺陷愈合

导读：来自同济大学与华中科技大学的研究团队，没有把废旧石墨重新“炼”成新石墨，而是在其中引入少量单壁碳纳米管后实施闪蒸焦耳热（FJH）处理，在0.1秒内升至2273 K并保持10秒，同步去除表面残留、修复晶格缺陷并构筑贯通导电网络。最优样品在3 C下仍保持226 mAh/g，RGr||LFP全电池在1 C下循环500圈后容量保持率超过83%。通讯作者为王超和黄云辉。

废旧锂离子电池中的石墨看似廉价，却占电池整体成本的约15%。传统再生路线常陷入两难：酸浸能够清除表面杂质，却无法修复晶格损伤；长时间高温石墨化能够恢复结晶性，却伴随极高能耗、材料损失和碳排放。本文重新定义了问题——废旧石墨的高温有序骨架大体仍在，真正需要处理的是局部缺陷、残余固体电解质界面膜（SEI）以及颗粒之间失效的电子通路。由此，研究以“选择性修复”替代“整体重建”，并把碳纳米管从被动导电添加剂转化为参与结构重组的主动组分。

01/把“完全石墨化”改为局部缺陷修复

图1｜闪蒸焦耳热再生流程：CNT混合、干燥和2273 K快速热处理协同完成SEI去除、缺陷愈合及石墨-CNT网络构建。

论文的核心判断很明确：长循环后的石墨并未失去整体石墨结构，因而不必复制工业人造石墨所需的长时间、高温过程。传统石墨化温度可高至约3273 K并持续约6小时，而本文仅利用FJH的瞬时高温提供足够的原子迁移能力，让缺陷附近碳原子重新排列，同时让SEI和黏结剂残留快速分解、逸出。由于材料主体层间结构不需要从头形成，能量被集中用于“修补”而非“重建”。

实验原料来自经历1000圈以上循环的LFP软包电池。研究者在充满氩气的手套箱中拆解、放电后的电芯，将负极片机械破碎并筛除延展性较强的铜箔碎片，得到废旧石墨粉。随后加入0.4 wt.%单壁碳纳米管水浆，手工混合30分钟并涂覆于石墨箔，在353 K干燥6小时，再进行真空FJH：约0.1秒升至2273 K、保温10秒，冷却后研磨得到再生石墨。这个流程不引入酸液，也避开了长时间炉内烧结，但其关键在于能否让粉末在超快升温中留在基底上。

02/长循环损伤首先表现为SEI累积与局部晶格畸变

图2｜废旧石墨的失效特征：颗粒开裂、异质厚SEI、0.201 nm LiF晶格及局部石墨缺陷共存，但主体石墨有序结构仍被保留。

图2首先呈现了拆解负极片的真实状态：表面附着大量杂质，回收颗粒形状不规则并存在明显裂纹。扫描电子显微镜（SEM）观察表明，反复嵌锂和脱锂造成的体积变化已使颗粒表面破碎；透射电子显微镜（TEM）则显示颗粒外缘覆盖着一层较厚且不均匀的SEI，其中既有无定形区域，也有剥离的石墨碎片与有机残留混杂的区域。

更细致的高分辨观察确认了尺寸约0.201 nm的LiF晶格，以及局部弯曲、错排和缺陷区域。这些结构会阻碍锂离子传输，并加剧界面极化和容量衰减。不过，图中大部分石墨层仍保持连续、平行的长程排列，说明失效并非整体结构坍缩。这一证据直接支撑了“缺陷选择性愈合”的路线：若只去除表面残留，损伤的晶格仍在；若追求完全重构，又会为已经保留的长程有序结构付出不必要的高温成本。

03/CNT网络抑制粉体喷溅并承接界面融合

图3｜CNT抑制热冲击粉体喷溅，并在2273 K、10秒条件下使ID/IG由0.272降至0.041，同时显著清除含Li、F、O的SEI残留。

FJH用于块体废粉时面临一个容易被忽略的实际问题：材料可能几乎全部被喷出。石墨箔瞬间升温、粉层内外形成陡峭温度梯度以及快速膨胀，都会产生机械冲击；残留SEI和黏结剂分解产生的气体又会进一步推动颗粒离开基底。作者在真空环境中观察到，未加CNT的松装粉末和压片均严重损失；即便没有SEI的商业石墨也出现喷溅，说明气体释放只是原因之一，热冲击才是更普遍的限制。

少量CNT在颗粒间形成类“三维网兜”的贯通网络，将石墨颗粒机械锚定在箔片上，同时允许分解气体沿开放通道逸出。SEM图像显示石墨-CNT混合干燥后形成致密块体，经FJH处理后仍保持较高材料留存。实验进一步表明，0.2 wt.% CNT已足以明显抑制喷溅，但综合倍率性能、分散均匀性与成本，0.4 wt.%为最优加入量。

Raman结果给出了缺陷修复的定量依据：废旧石墨的ID/IG为0.272，处理后可降至0.041。在室温至2573 K的系列温度中，所有样品均保温10秒，ID/IG随温度升高持续下降；升至2273 K以后，继续提高温度不再带来明显改善，因此研究选择2273 K作为兼顾修复效果与热预算的峰值温度。XRD显示处理前后（002）晶面间距差异很小，说明主体石墨骨架未被推倒重建；XPS则显示LiF和LiOH信号基本消失，ROCO?Li与Li?CO?明显减少。结构修复和杂质清除因此是同一热过程中的两个并行结果。

04/缺陷愈合与界面融合共同提升动力学和循环寿命

图4｜石墨-CNT界面融合带来更快的界面动力学：RGr在0.1 C达到398 mAh/g、3 C仍为226 mAh/g，RGr||LFP在1 C循环500圈后容量保持率超过83%。

循环伏安曲线中，再生石墨（RGr）与废旧石墨（SGr）的氧化还原峰位置相近，说明储锂反应机制没有被改变；但RGr峰形更尖锐、峰间距更小，表明极化下降、反应动力学加快。为排除锂金属界面干扰，EIS测试采用石墨||石墨对称电池。拟合结果显示，RGr的欧姆电阻、颗粒及集流体接触电阻、电荷转移电阻依次为1.75、12.23和11.01 Ω，低于SGr的1.88、25.16和13.60 Ω，其中接触电阻下降尤其明显。GITT换算出的扩散系数在多数荷电状态下也以RGr更高，不过论文明确指出三者的整体差异并不悬殊。

这种动力学优势很快转化为可测性能。半电池在0.5 C下循环100圈时，RGr容量由340升至364 mAh/g，商业石墨（CGr）约为344 mAh/g，而SGr仅约253 mAh/g。倍率测试中，RGr在0.1 C达到398 mAh/g，在3 C仍保持226 mAh/g，整个区间均高于CGr。仅水洗或仅加入CNT但不做FJH，都只能带来有限改善，说明“杂质去除”“晶格修复”“界面融合”必须同时发生。在?20°C、0.1 C下，SGr、CGr和RGr的可逆容量分别为75、170和250 mAh/g，对应室温容量的约25%、47%和64%，RGr在低温中低倍率区间保持明显优势。

TEM对照进一步呈现了界面变化：简单混合的SGr+CNT之间边界清晰锐利，主要表现为物理接触；FJH处理后的RGr则出现局部模糊边界、相互嵌入和附近晶格畸变，作者据此提出石墨与CNT发生界面融合。其机制可描述为：超快高温促进碳原子扩散和界面重排，以范德华耦合为主，并可能形成局部化学键；这些融合界面把原本依赖颗粒点接触的电子通道，改造成跨颗粒连续通路，同时与缺陷修复共同缩短锂离子输运阻力。需要注意，共价键形成在文中仍属于基于界面形貌和已有文献提出的解释，而不是直接谱学证明。全电池测试将RGr与面容量为3 mAh/cm2的LFP正极匹配，1 C下循环500圈后容量保持率超过83%，SGr||LFP仅为约36%；CGr||LFP同样较稳定，但RGr在长期循环中的容量更高。

05/10秒热处理的能耗优势仍需产业化验证

图5｜流程级评估显示，FJH路线相对工业石墨合成降低约78%能耗和87%温室气体排放；约10秒热处理所得石墨的比容量也高于图中多数传统路线样品。

作者使用EverBatt模型比较了三条路线：以绿色焦炭制备人造石墨、酸浸后高温烧结的传统回收，以及本文的CNT混合-FJH再生。这里的“78%能耗、87%温室气体减排”是相对于工业石墨合成的流程级结果；相对传统酸浸+烧结路线，能耗和温室气体排放均降低约73%，并直接消除酸废液。FJH路线热处理时间约10秒，而图5d中多数传统路线样品需要数小时乃至更久，容量却通常低于360 mAh/g；本文样品则处于约390 mAh/g的高容量端。

敏感性分析中，作者将批量、能量效率和保温阶段能耗占比分别上下浮动20%，FJH过程能耗变化不超过25%，在保守情景下仍保留明显优势。但这项工作目前仍停留在实验室批次尺度：连续化仅被描述为“技术上可预见”，尚未在本研究中验证实际产量、材料收率和工业放大稳定性；环境评价也只覆盖主要处理环节，不是完整生命周期评价。设备制造、辅助材料投入和规模化过程中的不确定性，仍需后续工程数据补足。

总结

这项工作最有价值之处，是把废旧石墨再生的目标从“重新石墨化”改写为“修复已经保留下来的石墨骨架”。2273 K、0.1秒升温并保持10秒的FJH过程负责清除SEI和愈合缺陷；0.4 wt.% CNT则先抑制热冲击造成的粉体喷溅，再通过界面融合把颗粒重新连接成连续导电网络。RGr在半电池、低温倍率和LFP全电池中均展示了可核实提升，并通过流程级分析给出短时、无酸、低排放的潜力。其下一步关键不在于继续提高峰值温度，而在于证明连续化装备中的材料留存率、批次一致性和真实工业能耗。

论文信息：Jinwen Liang, Fengshuo Yang, Fangzhou Yang, Jiarui Li, Ge Qu, Chao Wang, Yunhui Huang. Flash Joule Heating Enabled Defect Healing and Graphite-CNT Interfacial Fusion for Spent Graphite Upcycling. Advanced Functional Materials, 2026, e79042。DOI：10.1002/adfm.79042

信息来源：高温热冲击焦耳热超快合成

2026中国国际石墨烯创新大会

11月13-15日中国·温州

“2026年中国国际石墨烯创新大会”将由石墨烯产业技术创新战略联盟（CGIA）和正泰集团联合主办，将于2026年11月13-15日在温州市（乐清）举办。大会聚焦石墨烯应用市场，着力促进石墨烯创新成果与产业端的深度对接合作，推动石墨烯产业迈向高质量发展新阶段。2026中国国际石墨烯材料应用博览会将同期举办。

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