随着全球锂离子电池需求激增（预计2025年超1700GWh），废旧电池回收成为重大挑战。传统石墨负极再生技术面临三大瓶颈：1）物理法无法修复结构缺陷；2）湿法冶金引入杂质；3）常规热处理（≤1400℃）难以完全恢复电化学性能。再生石墨普遍存在首效低（＜89%）、循环稳定性差（100次循环容量保持率＜95%）、倍率性能弱（2C容量＜180mAh/g）等问题。特别是表面残留的孔隙和官能团会加剧SEI膜持续生长，导致不可逆容量损失。此外，商用沥青包覆形成的无定形碳层虽能提升循环性能，却会牺牲离子电导率（Li+扩散系数＜1×10-8cm2/s）。因此，开发兼具高首效、长循环和优异倍率性能的再生石墨改性技术，成为推动锂电产业绿色循环发展的关键突破口。

图1 RG、RG@260℃SA 和 RG@CA 的 SEM 图像（a-c）、TEM 图像（d、f、h）、HRTEM 图像以及相应的 FFT 和晶格间距分析（e、g、i）

来自北京科技大学冶金与生态工程学院/先进冶金技术国家重点实验室的赵洪亮教授、刘凤琴副教授团队（主要成员包括于国庆、谢明壮、易安财、吴泽刚、钟晶晶等），针对当前锂离子电池回收领域的关键技术瓶颈，成功攻克了废旧电池再生石墨负极材料性能恢复不彻底这一世界性难题。团队创新性地提出了一种基于分子结构调控的沥青改性技术，通过系统筛选不同软化点（200-260℃）的可纺沥青，最终确定以260℃高软化点沥青（SA-4）作为最优碳源，采用液相包覆结合梯度升温碳化（先350℃稳定化再800℃碳化）的创新工艺路线，在再生石墨表面精准构建了厚度仅为4.53nm的类石墨烯半结晶纳米碳层，形成了具有独特"核-壳"结构的复合负极材料。这种新材料展现出多项突破性性能指标：首次充放电效率高达94.24%（较未处理再生石墨提升5.4个百分点），0.1C倍率下比容量达362.2mAh/g，即使在2C高倍率下仍能保持228.3mAh g-1的优异容量；更令人瞩目的是，其锂离子扩散系数提升至1.741×10-8cm2 s-1，电荷转移阻抗低至4.894Ω，400次循环后容量保持率仍达93.3%，这些性能参数均显著优于传统商用沥青包覆的再生石墨材料。该技术的突破性不仅体现在性能提升上，其采用的液相包覆工艺还具有操作简便、成本低廉（预计可降低30%负极材料成本）、易于规模化生产等优势。未来，这项技术可广泛应用于新能源汽车动力电池（预计可提升电池组循环寿命15%以上）、电网级规模储能系统、5G基站备用电源等多个领域，每吨再生石墨可创造约2万元的附加价值，同时减少40%以上的碳排放，为构建锂电产业"资源-产品-废品-再生资源"的绿色循环经济模式提供了关键技术支撑和产业化示范。（编译：郑舒琦 INESA）

技术突破：该研究通过模板自组装法在LiMn2O4空心微球表面构建了超薄（2 nm）Bi2O3共形包覆层（BiLMOhms），成功解决了锰酸锂正极的Mn3+溶解难题。性能测试显示：半电池在1000次循环后容量保持率达80.1%（未包覆材料仅45.8%）；全电池匹配石墨负极时，1C倍率下100次循环容量保持率提升至89.5%（对照组38.4%）。Bi2O3层通过将Mn4+/Mn3+比例从1.19提升至2.24，显著抑制Jahn-Teller畸变，同时降低电荷转移阻抗30%。该技术适用于高电压（4V）动力电池和储能系统，可延长电池寿命30%以上，且制备工艺简单、成本低廉，为锰基正极的商业化应用提供了新方案。

锰酸锂（LiMn2O4）作为锂离子电池正极材料虽具有成本低、安全性高和环境友好等优势，但其商业化应用长期受限于锰溶解导致的性能衰退问题。传统锰酸锂材料在循环过程中，Mn3+会发生歧化反应生成可溶性Mn2+，不仅造成活性物质损失，还会迁移至负极破坏SEI膜，导致电池容量快速衰减（100次循环容量保持率通常低于40%）。现有改性技术如元素掺杂虽能部分缓解该问题，但会牺牲材料本征容量；而常规包覆方法（如Al2O3、碳包覆）往往存在包覆层不均匀（厚度＞10nm）、离子电导率差等问题，导致倍率性能恶化（2C容量衰减＞50%）。亟需开发兼具界面稳定性和高离子传导特性的新型包覆技术，在不影响材料本征电化学性能的前提下，从根本上解决锰溶解这一制约锰酸锂商业化应用的关键瓶颈。

图2 LMOhms石墨全电池系统（左）中锰的溶解、迁移和沉积现象示意图，与 BiLMOhms石墨电池（右）进行比较

来自韩国能源研究所（KIER）和韩国科学技术院（UST）的Segi Byun、Hyunuk Kim教授领衔的研究团队（核心成员包括Iyan Subiyanto博士、Winda Devina研究员等），针对锂离子电池锰酸锂（LiMn2O4）正极材料长期存在的锰溶解和结构退化难题取得了突破性进展。该团队创新性地开发了一种模板引导的溶液自组装技术，通过精确控制Bi(NO3)3前驱体在乙二醇溶液中的水解-缩聚过程，在预先合成的空心微球结构LiMn2O4表面构建了厚度仅2nm的超薄Bi2O3共形包覆层。这种独特的核壳结构（BiLMOhms）展现了多重协同效应：首先，通过同步辐射XPS证实包覆层能将材料表面的Mn4+/Mn3+比例从1.19显著提高到2.24，从根本上抑制了Jahn-Teller畸变；其次，高分辨率TEM显示包覆层完整覆盖所有晶面，有效阻隔电解液中HF对活性物质的侵蚀；更重要的是，Bi2O3本身具有优异的离子电导率（8.610×10-12 cm2/s），为锂离子传输提供了快速通道。电化学测试表明：在1C倍率下，全电池（匹配石墨负极）的循环寿命从对照组的38.4%提升至89.5%容量保持率；半电池在1000次循环后仍保持80.1%的初始容量，且极化电压增长幅度降低60%。该技术通过简单的溶液法工艺实现了原子级精准的界面调控，相比传统的气相沉积或固相包覆方法，生产成本可降低40%以上。目前研究团队正与韩国三星SDI合作，将该材料应用于新一代快充型动力电池（充电倍率＞3C）和电网级储能系统（预期循环寿命＞8000次），预计可使电池组能量密度提升15%的同时，将每kWh的循环成本降低30%。此项突破为锰基正极材料在新能源汽车和可再生能源存储领域的规模化应用提供了关键技术支撑。（编译：郑舒琦 INESA）

文章来源：国际储能技术与产业联盟

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