从废弃物到高能量负极：Al3?增强界面整合实现稳健的 SiOx/回收石墨异质结构

《Applied Surface Science》：From waste to high-energy anode: Al3+-enhanced interfacial integration enables robust SiO x/recycled graphite heterostructures

　　

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  Al3?增强的界面集成将废弃石墨转化为高性能负极骨架。
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  Al3?离子作为多功能"焊接"节点，通过配位键桥接SiOx、氮掺杂碳和回收石墨。
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  Al-SiOx@N-C/AG负极在0.5 A g?1条件下循环500次后容量保持率达90.1%。
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  初始库仑效率为74.4%，接近商业级基准。
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  本工作将可持续废物利用与先进界面工程相结合，为下一代电池铺平了道路。

引言

电动汽车（EVs）和电网级储能系统的快速增长将锂离子电池（LIBs）推上了全球能源转型的核心位置[1]，[2]。然而，展望2026年，电池行业面临着双重挑战：对更高能量密度的需求日益迫切，同时对可持续资源管理的需求也迫在眉睫。传统石墨负极的理论容量有限（372 mAh g?1），越来越难以满足下一代高能量锂电池的需求[3]，[4]，[5]，[6]。与此同时，工业石墨加工——尤其是石墨制品的金刚石线切割——产生大量细石墨废料，这些废料通常被丢弃或降级回收，尽管它们仍保持高结晶度和固有导电性，这代表了有价值的碳资源的巨大浪费。

尽管硅基负极提供了一种高容量的替代方案，但将其与回收材料集成仍是一大挑战。金刚石线切割产生的废石墨直接再利用受到其化学惰性表面的阻碍。虽然回收的石墨仍保持高石墨化程度，但其表面通常被残余有机切割液污染，且官能团有限，导致润湿性差，与活性材料之间的界面粘附力弱[7]，[8]，[9]。因此，在尝试构建SiO_x/石墨复合材料以提升容量时，惰性石墨表面与活性SiO_x相之间的界面不相容性导致机械结合力差，循环过程中迅速崩解。因此，开发一种策略来化学活化该废材料并建立牢固的界面耦合具有重要意义[10]，[11]，[12]。

为解决这些界面问题，人们已探索了各种结构工程策略，包括碳包覆和纳米结构化[13]，[14]，[15]。然而，依赖物理混合或简单碳包覆的传统方法往往无法建立牢固的化学耦合[16]，[17]，[18]，[19]，[20]。物理混合和碳包覆主要提供机械接触或物理包裹，缺乏SiO_x-碳界面处强化学键合，在长期循环中容易发生分层。微弱的范德华相互作用无法承受SiO_x在嵌锂/脱锂过程中的巨大体积变化。迫切需要一个"分子胶水"，能够同时锚定于回收石墨的富氧缺陷和活性材料的官能团[21]，[22]，[23]，[24]，[25]。受配位化学启发，高valent金属阳离子已成为界面工程中有前景的候选材料。与依赖物理组装的传统方法不同，本策略利用Al3?作为配位中心，形成Al-O-Si和Al-N-C桥键，化学"焊接"SiOx至回收石墨/碳骨架上。其中，Al3?因其高电荷密度、低成本以及对氧和氮配体的强亲和力而尤为引人注目，为创造牢固的"焊接"界面提供了一条潜在途径[26]，[27]，[28]，[29]，[30]，[31]，[32]。

在此，我们提出了一种可持续策略，将金刚石线切割产生的低价值废石墨转化为高性能高能量负极的导电骨架。通过利用Al3?增强的界面集成，我们构建了一种稳健的SiO_x/回收石墨异质结构（Al-SiO_x@N-C/AG）。在该结构中，Al3?离子作为多功能交联节点，通过强配位键桥接氮掺杂碳基质、SiO_x相和回收石墨的富缺陷区域。这种"焊接"效应[33]，[34]，[35]，[36]，[37]恢复了界面相容性并重建了导电网络。此外，采用后续HF辅助的表面处理来减轻不可逆锂消耗。本工作展示了一条闭环电池材料的实用路径，将工业废物转化为具有优异循环稳定性和倍率性能的高价值储能部件。

摘要片段

材料

SiO_x粉末（标称粒径约500 nm，无定形基质中嵌有结晶Si纳米畴）由博锐新能（中国银川）提供。吡咯（Py，98%，Sigma-Aldrich）、九水合硝酸铝（Al(NO₃)₃·9H₂O，国药集团化学试剂有限公司）、过硫酸铵（APS，麦克林生化有限公司）和植酸溶液（50 wt%，Sigma-Aldrich）均直接使用，未进一步纯化。AG（回收石墨）取自废石墨碎片。

复合材料的形貌与表征

通过SEM、TEM、HRTEM和EDS面扫系统对样品的形貌和复合结构进行了表征，结果如图2所示。首先，考察了起始材料的形貌。未处理的石墨具有典型的石墨形貌，颗粒表面相对光滑（图S1，补充信息）。

商用SiO_x粉末的SEM图像（图2a）显示不规则形状的颗粒，尺寸约500 nm，表面形貌致密且——

结论

总之，本工作成功展示了一种界面集成策略，将工业废石墨升级为下一代锂离子电池负极。通过引入Al3?物种，我们构建了稳健的异质结构，将高容量SiO_x与导电AG无缝集成，有效地将废物转化为高价值导电基质。Al3?增强的界面集成促进了界面处的强化学相互作用，从而有效地——

CRediT作者贡献声明

Juan Hong：初稿撰写，项目管理，概念设计。Xinhang Li：正式分析，数据管理。Lu Ding：软件，调查。Shuangyu Liu：方法学。Huaiyu Shao：验证，资源。Yuanhang Hou：可视化，数据管理。Hui Cui：调查。Chuandong Zhou：资源。Honggang Zhang：监督，数据管理。Baoju Yang：项目管理。Lu Yue：审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的与本文所报告工作相冲突的经济利益或个人关系。

致谢

本工作由盐城市重点研发计划（项目编号：YCBG2024040）、江苏省"333工程"（项目编号：153519050）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20241972）以及澳门科学技术发展基金（FDCT）（项目编号：0013/2024/RIB1）资助。

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