[發(fā)明專利]一種硬碳材料及其制備方法和應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711129645.5
• 申請(qǐng)日: 2017-11-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107879323A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-04-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王勇;李永;劉雯;郭瑞;裴海娟;侯旭望;解晶瑩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海空間電源研究所
• 主分類號(hào): C01B32/05
• 分類號(hào): C01B32/05;H01M10/54
• 代理公司: 上海信好專利代理事務(wù)所(普通合伙)31249
• 代理人: 周乃鑫

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于化學(xué)電源領(lǐng)域、高分子材料領(lǐng)域和能源材料領(lǐng)域，涉及一種高分子材料，具體涉及一種以廢舊隔膜為原料進(jìn)行硬碳制備的技術(shù)。

背景技術(shù)

隨著電子通信技術(shù)的不斷革新和發(fā)展，二次電池日益受到人們的關(guān)注。鋰離子電池憑借其比容量高、循環(huán)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿颓熬暗亩坞姵亍ｄ囯x子電池中，至關(guān)重要的就是電極材料。目前市場(chǎng)上普遍使用的負(fù)極材料為石墨和硬碳，其具有比容量高、放電平臺(tái)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。

硬碳是指難石墨化碳,是高分子聚合物的熱解碳，具有比容量高、循環(huán)性能好、大倍率下循環(huán)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。將具有特殊結(jié)構(gòu)的交聯(lián)樹(shù)脂在1000℃左右熱解可得硬碳。這類碳在2500℃以上的高溫也難以石墨化,常見(jiàn)的硬碳有樹(shù)脂碳(如酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂和聚糠醇等)、有機(jī)聚合物熱解碳(如四氟乙烯–全氟烷基乙烯基醚、聚氯乙烯PVC、聚偏氟乙烯PVDF和聚丙烯腈PAN等)和炭黑(乙炔黑)等。

研究發(fā)現(xiàn)，硬碳材料均具有很高的可逆比容量(一般為500-700mAh/g)。其中，聚糠醇樹(shù)脂碳其容量可達(dá)到400mAh/g,日本索尼公司已用作鋰離子電池負(fù)極材料。但是這些硬碳的前驅(qū)體成本較高，不適于大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的負(fù)極制備。

隨著能源市場(chǎng)需求的增加，每年廢棄的隔膜材料等電池廢棄材料的量也逐年增加，廢舊隔膜的回收再利用是一個(gè)十分具有潛力和挑戰(zhàn)的課題。利用廢舊隔膜制得的硬碳成本較低，具有非常好的成本優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種成本低廉的硬碳材料，將廢舊隔膜回收再利用制備得到硬碳材料，方法簡(jiǎn)便，造價(jià)低廉。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種硬碳材料的制備方法，所述的制備方法是指以廢舊電池隔膜為原料，經(jīng)過(guò)前處理、高溫碳化、清洗工藝獲得所述硬碳材料，所述的前處理是指采用溶劑(優(yōu)選電解液的溶劑)對(duì)廢舊電池隔膜進(jìn)行浸泡后烘干，以除去廢舊電池隔膜表面的鹽；所述的高溫碳化是指采用程序升溫，升溫速率為0.5-10℃/min，在700-1400℃下進(jìn)行高溫碳化0.5-6小時(shí)。

較佳地，所述的廢舊電池隔膜包括聚乙烯PE-聚丙烯PP-PE隔膜(三層隔膜)、PE-PP隔膜(兩層隔膜)、PE隔膜、PP隔膜、均苯型聚酰亞胺PI隔膜。其中，所述的廢舊電池隔膜上還包覆有相應(yīng)涂層(如氧化鋁等涂層)。

較佳地，高溫碳化是指在900℃下碳化處理2小時(shí)，升溫速率為2-5℃/min。

較佳地，所述的清洗工藝包含酸洗或水洗或者酸洗后水洗，以除去隔膜表面包覆的雜質(zhì)和金屬氧化物。

本發(fā)明還提供了一種根據(jù)上述的方法制備的硬碳材料。

本發(fā)明還提供了一種上述的硬碳材料的用途，該硬碳材料應(yīng)用于鋰離子電池。

本發(fā)明還提供了一種上述的硬碳材料的用途，該硬碳材料應(yīng)用于鈉離子電池。

本發(fā)明還提供了一種鋰離子電池，該鋰離子電池包含：作為對(duì)電極的金屬鋰片、作為工作電極的鋰離子電池硬碳極片和有機(jī)電解液，該鋰離子電池硬碳極片采用上述的硬碳材料為電極活性物質(zhì)。所述鋰離子電池有機(jī)電解液為商業(yè)化鋰離子電池電解液，優(yōu)選為1.2M LiPF₆/EC:DMC 3:7,v:v。

本發(fā)明還提供了一種鈉離子電池，該鈉離子電池包含作為對(duì)電極的金屬鈉片、作為工作電極的鈉離子電池硬碳極片和有機(jī)電解液，該鈉離子電池硬碳極片采用上述的硬碳材料為電極活性物質(zhì)。所述鈉離子電池有機(jī)電解液為商業(yè)化鈉離子電池電解液，優(yōu)選為0.9M NaPF₆/DME。

本發(fā)明提供的硬碳材料的合成方法簡(jiǎn)單，易于操作，且利用廢舊電池隔膜為原料，成本低廉，易于放大化應(yīng)用。本發(fā)明制備的硬碳材料粒徑均一，性質(zhì)穩(wěn)定，材料具有優(yōu)異的倍率性能，具有非常好的應(yīng)用前景，在鋰離子電池和鈉離子電池應(yīng)用中具有極大的潛力。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的實(shí)施例1制備得到的硬碳材料的SEM(掃描電子顯微鏡,scanning electron microscope)圖。

圖2為以本發(fā)明的實(shí)施例1制備的硬碳材料制備的硬碳極片作為工作電極的鋰離子電池充放電循環(huán)曲線圖。

圖3為以本發(fā)明的實(shí)施例1制備的硬碳材料制備的硬碳極片作為工作電極的鈉離子電池充放電循環(huán)曲線圖。

圖4為本發(fā)明的實(shí)施例2制備得到的硬碳材料的SEM(掃描電子顯微鏡,scanning electron microscope)圖。

圖5為以本發(fā)明的實(shí)施例2制備的硬碳材料制備的硬碳極片作為工作電極的鋰離子電池充放電循環(huán)曲線圖。