[发明专利]废旧橡胶材料基二次电池用电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种废旧橡胶材料基二次电池用电极材料及其制备方法，要解决的技术问题是提高二次电池的电化学性能，保护环境。本发明的废旧橡胶材料基二次电池用电极材料，以密排六方结构的纳米硫化锌颗粒，与包覆和桥接在纳米硫化锌颗粒表面和周围的薄层且各相同性分布的微晶石墨组成的二次碳硫颗粒为基体，基体外包覆有热解碳包覆层。本发明的制备方法包括制备二次碳硫颗粒，包覆热解碳包覆层。本发明与现有技术相比，以废旧橡胶材料制备二次电池用电极材料，来源广泛，价格便宜，且所制备得到具有高容量、高倍率充放电性能、长循环寿命，以及对环境友好、生产成本低，既可用作锂离子电池的负极材料，又可用作锂硫电池的正极材料。

技术领域

本发明涉及一种电池用电极材料及其制备方法，特别是一种利用废旧橡胶的电极材料及其制备方法

背景技术

橡胶作为人们日常生活如日用、医用不可缺的材料，还作为采掘、交通、建筑、机械、电子工业领域和新兴产业各类生产设备或部件的材料。随着橡胶制品合成加工方法的不断进步，各类橡胶制品的产量逐年增加，而橡胶制品的广泛使用会产生大量的固废垃圾。废旧橡胶材料由于有较强的耐热性与耐腐蚀性，很难在短期内自我降解，进而造成环境污染。目前关于废旧橡胶综合利用的途径主要包括橡胶制品翻新、生产再生橡胶、生产精细橡胶粉、热能利用和热解。随着合成橡胶的发展，其质优价廉无可比拟的优势，使橡胶制品翻新和再生胶的市场越来越小，而且生产再生胶和胶粉还存在能耗大，环境污染严重的问题，其生产规模持续萎缩。另外，将废旧橡胶材料和其它废弃物共焚烧以蒸汽或电力的形式回收能量，虽可以大量的处理废旧橡胶，但存在资源利用率不高的缺点。不同于上述方法，通过热解法处理废旧橡胶不仅可以产出高附加值的产品，而且对环境保护具有重要作用，是目前综合利用废旧橡胶材料的重点研究方向。

随着风能、太阳能、电动汽车领域对高性能储能设备的广泛需求，给新一代二次电池(电池)的发展带来了更大的机遇和挑战。二次电池的研究从最初的锂离子电池发展到现在的钠离子电池、锂硫电池、锂空气电池、全固态电池和燃料电池，其中锂离子电池负极材料的研究重点也从天然石墨和人造石墨转移到最新一代的硅碳复合材料，电池中负极材料占电池总成本的25％左右，并且对电池整体性能起着关键性作用。商用动力锂离子电池负极材料主要为天然和人造石墨，约占市场份额的48％和49％。天然石墨用作二次电池的负极材料，具有放电比容量高，加工性能好的优点，但其高低温性能不好，同时与有机电解液的相容性差，充放电时易发生石墨片层剥离，影响大电流充放电性能及循环寿命。而人造石墨负极材料主要以石油焦、针状焦为原料，沥青作结合剂，经一系列复杂工序制备得来，虽然负极材料具有良好的循环稳定性、优异的高低温性能、良好的安全性能，但是放电比容量偏低，而且原材料价格高，工艺流程复杂，使电池生产成本较高。随着二次电池向高能量密度、高功率的方向发展，使得人们不断改性电池负极材料，以提高放电容量和高倍率充放电性能。

橡胶产品是根据橡胶制品的使用特性设计配方，以橡胶原料经炼胶工艺所制成的混炼胶为原材料，加入配合剂、作为骨架材料的纤维和金属材料制成具有塑性的半成品，再经硫化处理制得，橡胶产品具有弹性高且物理机械性能良好的特点。橡胶产品制备过程中，硫元素可以与金属结合形成金属硫材料。而在锂离子电池电化学反应机理中，金属硫键在锂离子嵌入和脱嵌过程中极易断裂和修复，可有效地提高反应动力学，降低锂的过电位，使得电极材料获得较高的理论容量，而橡胶中的橡胶烃分子在适当的条件下可以转化为部分薄的石墨材料包覆层，石墨的小晶体和各相同性的结构，使得以其制备的电极材料在循环寿命、快速充放电方面具有极为优异的表现。由于废旧橡胶材料热解炭化后的材料含有碳材料和硫材料，这两种材料既可用作锂离子电池的负极材料，又可用作锂硫电池的正极材料。因此，以废旧橡胶材料为原料制备含有碳和硫材料的纳米材料，作为二次电池电极材料，可有望解决二次电池在电极原材料方面，生产成本较高，充放电性能不理想的问题，也有望为废旧橡胶材料的循环再利用提供一种全新理念和原料来源。