[发明专利]一种硬碳材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于化学电源领域、高分子材料领域和能源材料领域，涉及一种高分子材料，具体涉及一种以废旧隔膜为原料进行硬碳制备的技术。

背景技术

随着电子通信技术的不断革新和发展，二次电池日益受到人们的关注。锂离子电池凭借其比容量高、循环稳定性好等优势，被认为是最具发展潜力和前景的二次电池。锂离子电池中，至关重要的就是电极材料。目前市场上普遍使用的负极材料为石墨和硬碳，其具有比容量高、放电平台稳定等优势。

硬碳是指难石墨化碳,是高分子聚合物的热解碳，具有比容量高、循环性能好、大倍率下循环稳定性好等优势。将具有特殊结构的交联树脂在1000℃左右热解可得硬碳。这类碳在2500℃以上的高温也难以石墨化,常见的硬碳有树脂碳(如酚醛树脂、环氧树脂和聚糠醇等)、有机聚合物热解碳(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。

研究发现，硬碳材料均具有很高的可逆比容量(一般为500-700mAh/g)。其中，聚糠醇树脂碳其容量可达到400mAh/g,日本索尼公司已用作锂离子电池负极材料。但是这些硬碳的前驱体成本较高，不适于大规模储能系统的负极制备。

随着能源市场需求的增加，每年废弃的隔膜材料等电池废弃材料的量也逐年增加，废旧隔膜的回收再利用是一个十分具有潜力和挑战的课题。利用废旧隔膜制得的硬碳成本较低，具有非常好的成本优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低廉的硬碳材料，将废旧隔膜回收再利用制备得到硬碳材料，方法简便，造价低廉。

为了达到上述目的，本发明提供了一种硬碳材料的制备方法，所述的制备方法是指以废旧电池隔膜为原料，经过前处理、高温碳化、清洗工艺获得所述硬碳材料，所述的前处理是指采用溶剂(优选电解液的溶剂)对废旧电池隔膜进行浸泡后烘干，以除去废旧电池隔膜表面的盐；所述的高温碳化是指采用程序升温，升温速率为0.5-10℃/min，在700-1400℃下进行高温碳化0.5-6小时。

较佳地，所述的废旧电池隔膜包括聚乙烯PE-聚丙烯PP-PE隔膜(三层隔膜)、PE-PP隔膜(两层隔膜)、PE隔膜、PP隔膜、均苯型聚酰亚胺PI隔膜。其中，所述的废旧电池隔膜上还包覆有相应涂层(如氧化铝等涂层)。

较佳地，高温碳化是指在900℃下碳化处理2小时，升温速率为2-5℃/min。

较佳地，所述的清洗工艺包含酸洗或水洗或者酸洗后水洗，以除去隔膜表面包覆的杂质和金属氧化物。

本发明还提供了一种根据上述的方法制备的硬碳材料。

本发明还提供了一种上述的硬碳材料的用途，该硬碳材料应用于锂离子电池。

本发明还提供了一种上述的硬碳材料的用途，该硬碳材料应用于钠离子电池。

本发明还提供了一种锂离子电池，该锂离子电池包含：作为对电极的金属锂片、作为工作电极的锂离子电池硬碳极片和有机电解液，该锂离子电池硬碳极片采用上述的硬碳材料为电极活性物质。所述锂离子电池有机电解液为商业化锂离子电池电解液，优选为1.2M LiPF₆/EC:DMC 3:7,v:v。

本发明还提供了一种钠离子电池，该钠离子电池包含作为对电极的金属钠片、作为工作电极的钠离子电池硬碳极片和有机电解液，该钠离子电池硬碳极片采用上述的硬碳材料为电极活性物质。所述钠离子电池有机电解液为商业化钠离子电池电解液，优选为0.9M NaPF₆/DME。

本发明提供的硬碳材料的合成方法简单，易于操作，且利用废旧电池隔膜为原料，成本低廉，易于放大化应用。本发明制备的硬碳材料粒径均一，性质稳定，材料具有优异的倍率性能，具有非常好的应用前景，在锂离子电池和钠离子电池应用中具有极大的潜力。

附图说明

图1为本发明的实施例1制备得到的硬碳材料的SEM(扫描电子显微镜,scanning electron microscope)图。

图2为以本发明的实施例1制备的硬碳材料制备的硬碳极片作为工作电极的锂离子电池充放电循环曲线图。

图3为以本发明的实施例1制备的硬碳材料制备的硬碳极片作为工作电极的钠离子电池充放电循环曲线图。

图4为本发明的实施例2制备得到的硬碳材料的SEM(扫描电子显微镜,scanning electron microscope)图。

图5为以本发明的实施例2制备的硬碳材料制备的硬碳极片作为工作电极的锂离子电池充放电循环曲线图。