[發(fā)明專利]廢舊橡膠材料基二次電池用電極材料及其制備方法

有效

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• 申請日: 2020-02-25
• 公開（公告）號: CN111293295B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發(fā)明（設計）人: 侯佼;王興蔚;侯春平;賀超;楊丹
• 申請（專利權）人: 博爾特新材料（銀川）有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 深圳市中知專利商標代理有限公司 44101
• 代理人: 孫皓;林虹

本發(fā)明公開了一種廢舊橡膠材料基二次電池用電極材料及其制備方法，要解決的技術問題是提高二次電池的電化學性能，保護環(huán)境。本發(fā)明的廢舊橡膠材料基二次電池用電極材料，以密排六方結構的納米硫化鋅顆粒，與包覆和橋接在納米硫化鋅顆粒表面和周圍的薄層且各相同性分布的微晶石墨組成的二次碳硫顆粒為基體，基體外包覆有熱解碳包覆層。本發(fā)明的制備方法包括制備二次碳硫顆粒，包覆熱解碳包覆層。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，以廢舊橡膠材料制備二次電池用電極材料，來源廣泛，價格便宜，且所制備得到具有高容量、高倍率充放電性能、長循環(huán)壽命，以及對環(huán)境友好、生產(chǎn)成本低，既可用作鋰離子電池的負極材料，又可用作鋰硫電池的正極材料。

技術領域

本發(fā)明涉及一種電池用電極材料及其制備方法，特別是一種利用廢舊橡膠的電極材料及其制備方法

背景技術

橡膠作為人們日常生活如日用、醫(yī)用不可缺的材料，還作為采掘、交通、建筑、機械、電子工業(yè)領域和新興產(chǎn)業(yè)各類生產(chǎn)設備或部件的材料。隨著橡膠制品合成加工方法的不斷進步，各類橡膠制品的產(chǎn)量逐年增加，而橡膠制品的廣泛使用會產(chǎn)生大量的固廢垃圾。廢舊橡膠材料由于有較強的耐熱性與耐腐蝕性，很難在短期內自我降解，進而造成環(huán)境污染。目前關于廢舊橡膠綜合利用的途徑主要包括橡膠制品翻新、生產(chǎn)再生橡膠、生產(chǎn)精細橡膠粉、熱能利用和熱解。隨著合成橡膠的發(fā)展，其質優(yōu)價廉無可比擬的優(yōu)勢，使橡膠制品翻新和再生膠的市場越來越小，而且生產(chǎn)再生膠和膠粉還存在能耗大，環(huán)境污染嚴重的問題，其生產(chǎn)規(guī)模持續(xù)萎縮。另外，將廢舊橡膠材料和其它廢棄物共焚燒以蒸汽或電力的形式回收能量，雖可以大量的處理廢舊橡膠，但存在資源利用率不高的缺點。不同于上述方法，通過熱解法處理廢舊橡膠不僅可以產(chǎn)出高附加值的產(chǎn)品，而且對環(huán)境保護具有重要作用，是目前綜合利用廢舊橡膠材料的重點研究方向。

隨著風能、太陽能、電動汽車領域對高性能儲能設備的廣泛需求，給新一代二次電池(電池)的發(fā)展帶來了更大的機遇和挑戰(zhàn)。二次電池的研究從最初的鋰離子電池發(fā)展到現(xiàn)在的鈉離子電池、鋰硫電池、鋰空氣電池、全固態(tài)電池和燃料電池，其中鋰離子電池負極材料的研究重點也從天然石墨和人造石墨轉移到最新一代的硅碳復合材料，電池中負極材料占電池總成本的25％左右，并且對電池整體性能起著關鍵性作用。商用動力鋰離子電池負極材料主要為天然和人造石墨，約占市場份額的48％和49％。天然石墨用作二次電池的負極材料，具有放電比容量高，加工性能好的優(yōu)點，但其高低溫性能不好，同時與有機電解液的相容性差，充放電時易發(fā)生石墨片層剝離，影響大電流充放電性能及循環(huán)壽命。而人造石墨負極材料主要以石油焦、針狀焦為原料，瀝青作結合劑，經(jīng)一系列復雜工序制備得來，雖然負極材料具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性、優(yōu)異的高低溫性能、良好的安全性能，但是放電比容量偏低，而且原材料價格高，工藝流程復雜，使電池生產(chǎn)成本較高。隨著二次電池向高能量密度、高功率的方向發(fā)展，使得人們不斷改性電池負極材料，以提高放電容量和高倍率充放電性能。

橡膠產(chǎn)品是根據(jù)橡膠制品的使用特性設計配方，以橡膠原料經(jīng)煉膠工藝所制成的混煉膠為原材料，加入配合劑、作為骨架材料的纖維和金屬材料制成具有塑性的半成品，再經(jīng)硫化處理制得，橡膠產(chǎn)品具有彈性高且物理機械性能良好的特點。橡膠產(chǎn)品制備過程中，硫元素可以與金屬結合形成金屬硫材料。而在鋰離子電池電化學反應機理中，金屬硫鍵在鋰離子嵌入和脫嵌過程中極易斷裂和修復，可有效地提高反應動力學，降低鋰的過電位，使得電極材料獲得較高的理論容量，而橡膠中的橡膠烴分子在適當?shù)臈l件下可以轉化為部分薄的石墨材料包覆層，石墨的小晶體和各相同性的結構，使得以其制備的電極材料在循環(huán)壽命、快速充放電方面具有極為優(yōu)異的表現(xiàn)。由于廢舊橡膠材料熱解炭化后的材料含有碳材料和硫材料，這兩種材料既可用作鋰離子電池的負極材料，又可用作鋰硫電池的正極材料。因此，以廢舊橡膠材料為原料制備含有碳和硫材料的納米材料，作為二次電池電極材料，可有望解決二次電池在電極原材料方面，生產(chǎn)成本較高，充放電性能不理想的問題，也有望為廢舊橡膠材料的循環(huán)再利用提供一種全新理念和原料來源。