再生石墨表面半结晶纳米碳层包覆构建高性能锂离子电池负极材料的研究

为解决再生石墨负极材料循环稳定性和倍率性能不足的问题，研究人员采用液相包覆法，以可纺沥青为碳源在再生石墨表面构建半结晶纳米碳层（Semi-Crystalline nanocarbon layer），形成"核-壳"结构复合材料。该材料在0.1C下初始充电容量达144.1 mAh/g，400次循环后容量保持率93.3%，Li+扩散系数提升至1.741×10?8 cm2/s，为废旧锂电石墨负极高值化回收提供了新思路。

　　

随着全球锂离子电池（LIBs）年需求量突破1700GWh，废旧电池堆积如山的环境问题日益严峻。其中，石墨负极材料常被当作还原剂处理，造成资源浪费。虽然现有再生技术能恢复部分性能，但循环寿命短、快充能力差仍是行业痛点。就像给手机充电时越充越慢，这些"内伤"严重制约着再生石墨的商业价值。

中国科学院研究人员独辟蹊径，从纺织工业的可纺沥青（Spinnable pitch）中找到了突破口。这种特殊沥青经高温处理后能形成半结晶纳米碳层（Semi-Crystalline nanocarbon layer），既不像传统无定形碳那样阻碍锂离子（Li⁺）传输，又能完美修补石墨表面的"伤口"。研究团队通过液相包覆法，将可纺沥青像糖衣一样包裹在再生石墨表面，创造出独特的"核-壳"结构。相关成果发表在《Applied Surface Science》上。

关键技术包括：1）采用不同软化点（200-260℃）可纺沥青进行液相包覆；2）通过800℃绝氧热处理形成碳层；3）结合X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）表征材料结构；4）组装半电池和全电池测试电化学性能；5）使用废旧电池回收的再生石墨（SG）作为原料。

材料物性分析
260℃软化点的可纺沥青（SA-4）展现出最高残碳率（89.7%）和热稳定性。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示其芳香环结构更完整，为形成有序碳层奠定基础。

结构表征结果
高分辨透射电镜（HRTEM）证实，SA-4处理的样品产生3-5nm厚度的半结晶碳层，石墨化程度介于无定形碳与晶体石墨之间。这种结构既能填补表面缺陷，又保留了Li⁺快速通道。

电化学性能
全电池测试显示：0.1C下初始效率达93.3%，远超商业沥青包覆组（80.5%）。1C倍率循环400次后，容量衰减仅6.7%，而对照组衰减达20%。电化学阻抗谱（EIS）显示电荷转移电阻（Rct）低至4.894Ω，Li⁺扩散系数提高2个数量级。

结论与意义
该研究开创性地利用可纺沥青制备出半结晶纳米碳层包覆的再生石墨负极材料，其三大突破值得关注：1）碳层结构设计平衡了保护性与离子传输效率；2）工业副产品可纺沥青实现"以废治废"；3）为构建"回收-再生-高值化"的循环经济模式提供范本。Guo-Qing Yu等研究者通过精准调控碳前驱体分子结构，证明材料表面工程对提升再生石墨性能的关键作用，这对推动锂电产业绿色可持续发展具有重要战略意义。