CN109748257B - 利用钢筋电渣压焊施工过程的废弃物制备锂离子电池负极材料的方法和锂电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用钢筋电渣压焊施工过程的废弃物制备锂离子电池负极材料的方法，其包括以下步骤：S1、将钢筋电渣压焊施工过程的废弃物磨成粉，经稀盐酸浸泡后，用去离子水洗涤至中性，过滤，在干燥箱中进行干燥，将得到的干燥粉末放入坩埚中；S2、将装有干燥粉末的坩埚放入真空气氛炉中，在惰性气氛中煅烧后，取出混合物；S3、将上述混合物依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤多次，过滤，将所得的粉末置于干燥箱中进行干燥，制得作为锂离子电池负极材料的碳基电极材料。本发明制备的碳基电极材料具有较高的能量密度，而且具有较好的循环稳定性和倍率性。
Description
技术领域
本发明锂离子电池技术领域，涉及一种利用钢筋电渣压焊施工过程的废弃物制备锂离子电池负极材料的方法和锂电池。
背景技术
锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，长期以来锂电池没有得到广泛的应用。但由于随着科学技术的发展，现在锂电池已经成为了主流。锂离子电池具有循环寿命长，能量密度高，可以快速充放电等优点，被广泛应用于交通动力电源、电力储能电源、移动通信电源、新能源储能动力电和航天军工电源等新兴生产生活领域，但对其综合条件而言，锂电池生产要求条件高，其制备的材料相对于市场其他电池而言成本亦是比较高，并且其能量密度仍有待进一步提高。目前的商用锂离子电池负极材料主要为石墨材料，其理论容量仅为372mAh/g，严重制约了电池整体能量密度的提升及有效利用率。因此开发新的具有高放电容量、安全经济的可替代负极材料是目前电池材料研究领域的热点之一。
随着城市建设步伐的加快，建筑施工期现场垃圾也逐渐增加，已经占据了全国全年总量的60％。这些垃圾不仅严重破坏了环境卫生，还带来了颇多隐患。建筑垃圾不仅占用大量土地，而且严重污染环境，大量建筑垃圾堆积还会破坏土壤结构、造成地表沉降。另外，建筑垃圾中的建筑用胶、涂料、油漆等还是难以生物降解的高分子聚合物，含有害的重金属元素。这些废弃物被埋在地下，会造成地下水的污染，直接危害到周边居民的生活。所以对废弃建筑垃圾进行回收再利用，将会大大节约能源和材料，缓解社会的生态和能源压力。更是符合了节能减排的政府政策，绿色能源及转化必然是今后科技时代发展的大势所趋，以及建设新型中国的核心转换方式，但就绿色能源利用方面仍需要突破瓶颈。
因此，开发一种废物利用、合成工艺简单、成本低、反应条件温和、重复性高的废弃建筑垃圾制备高能量密度的碳基锂离子电池负极材料的方法具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用钢筋电渣压焊施工过程的废弃物制备锂离子电池负极材料的方法，利用钢筋电渣压焊施工过程的废弃物，成本低，反应条件温和，而且制得的锂离子电池负极材料重复性高。
本发明的技术方案如下：
一种利用钢筋电渣压焊施工过程的废弃物制备锂离子电池负极材料的方法，其包括以下步骤：
S1、将钢筋电渣压焊施工过程的废弃物磨成粉，经稀盐酸浸泡后，用去离子水洗涤至中性，过滤，在干燥箱中进行干燥，将得到的干燥粉末放入坩埚中；
S2、将装有干燥粉末的坩埚放入真空气氛炉中，在惰性气氛中煅烧后，取出混合物；
S3、将上述混合物依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤多次，过滤，将所得的粉末置于干燥箱中进行干燥，制得作为锂离子电池负极材料的碳基电极材料。
优选地，所述钢筋电渣压焊过程的废弃物为任意一种或几种的含碳纤维的废弃物。
优选地，步骤S1中，在稀盐酸中浸泡的时间为6～48小时，在干燥箱内进行干燥的时间为6～12小时。
优选地，步骤S2中，煅烧的温度为300～1000℃，煅烧时间为30～180分钟。
优选地，步骤S3中，将步骤S2得到的混合物依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤3～6次，在干燥箱中进行干燥的温度为60～100℃，干燥时间为6～12小时。
优选地，步骤S1中，将钢筋电渣压焊过程的废弃物冷却至25℃后磨成粉。
优选地，在稀盐酸中浸泡的时间为6～36小时，在干燥箱中干燥的时间为6～10小时。
优选地，煅烧的温度为300～1000℃，煅烧时间为30～150分钟。
优选地，步骤S3中，将步骤S2得到的混合物依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤4～6次，在干燥箱内进行干燥的温度为70～100℃，干燥时间为6～10小时。
一种锂电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述负极包括上述的利用钢筋电渣压焊施工过程的废弃物制备锂离子电池负极材料的方法制得的锂离子电池负极材料。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明采用废弃建筑垃圾为原料，通过洗涤煅烧的方法获得，使反应条件温和，生产过程简化，成本低。
2、制备的碳基电极材料具有较高的能量密度，而且具有较好的循环稳定性和倍率性。
3、在合成过程中除稀盐酸外不需其他试剂，使得操作工艺简单，降低了成本。
4、可大规模生产，实现产业化。
5、原材料的获得方式采用人工敲取，简单，操作成本低。
附图说明
图1是本发明实施例1所制得的锂离子电池负极材料的扫描电子显微镜图。
图2是本发明实施例1所制得的锂离子电池负极材料的X射线衍射图。
图3是本发明实施例2制得的锂离子电池负极材料的透射电子显微镜图片。
图4是本发明实施例2所制备的锂离子电池负极材料的充放电曲线。
图5是本发明实施例3所制得的锂离子电池负极材料的电子能量损失谱图片。
图6是实施例4制得的锂离子电池负极材料的倍率特性曲线。
图7是本发明实施例5所制备的锂离子电池负极材料的循环稳定性曲线。
图8是本发明所取原材料钢筋电渣压焊的施工现场实物图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和性能方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
一种利用钢筋电渣压焊施工过程的废弃物制备锂离子电池负极材料的方法，其包括以下步骤：
S1、将钢筋电渣压焊施工过程的废弃物冷却至25℃后磨成粉，废弃物为任意一种或几种的含碳纤维的废弃物，放入1M-10M盐酸中浸泡6～48小时,去除粉末中的金属杂质离子，如铁、钴、镍等，再用去离子水离心洗涤至中性，过滤，放入干燥箱中干燥6～12小时，将所得粉末放入坩埚中；
S2、将上述坩埚放入真空气氛炉中,在惰性气氛中300～1000℃煅烧30～180分钟后，高温加热用以去除废弃物中的高分子杂质和碳化样品，取出混合物；
S3、将上述混合物依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤3～6次，过滤，将所得的粉末置于干燥箱中以60～100℃的温度干燥6～12小时，制得作为锂离子电池负极材料的碳基电极材料。
优选地，步骤S1中，在稀盐酸中浸泡的时间为6～36小时，在干燥箱中干燥的时间为6～10小时。
优选地，步骤S2中，煅烧的温度为300～1000℃，煅烧时间为30～150分钟。
优选地，步骤S3中，将步骤S2得到的混合物依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤4～6次，在干燥箱内进行干燥的温度为70～100℃，干燥时间为6～10小时。
本发明还提供一种锂电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，负极包括上述的利用钢筋电渣压焊施工过程的废弃物制备锂离子电池负极材料的方法制得的锂离子电池负极材料。
实施例1
S1、将钢筋电渣压焊施工过程的废弃物冷却至25℃后通过人工敲取，磨成粉，废弃物为任意一种或几种的含碳纤维的废弃物，放入10M盐酸中浸泡6小时,去除粉末中的金属杂质离子，如铁、钴、镍等，再用去离子水离心洗涤至中性，过滤，放入干燥箱中干燥6小时，将所得粉末放入坩埚中；
S2、将上述坩埚放入真空气氛炉中,在惰性气氛中800℃煅烧80分钟后，高温加热用以去除废弃物中的高分子杂质和碳化样品，取出混合物；
S3、将上述混合物依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤3次，过滤，将所得的粉末置于干燥箱中以100℃的温度干燥9小时，制得作为锂离子电池负极材料的碳基电极材料。
图1为实施例1制得的碳基电极材料的扫描电子显微镜图，从图中可以清晰的看出材料呈现不规则的球形结构。
图2为实施例1制得的碳基电极材料的X射线衍射图，可以看出合成的碳基电极材料结晶性较好，为六方相晶体。
实施例2
S1、将钢筋电渣压焊施工过程的废弃物冷却至25℃后通过人工敲取，磨成粉，废弃物为任意一种或几种的含碳纤维的废弃物，放入5M盐酸中浸泡24小时,去除粉末中的金属杂质离子，如铁、钴、镍等，再用去离子水离心洗涤至中性，过滤，放入干燥箱中干燥12小时，将所得粉末放入坩埚中；
S2、将上述坩埚放入真空气氛炉中,在惰性气氛中700℃煅烧100分钟后，高温加热用以去除废弃物中的高分子杂质和碳化样品，取出混合物；
S3、将上述混合物依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤5次，过滤，将所得的粉末置于干燥箱中以80℃的温度干燥6小时，制得作为锂离子电池负极材料的碳基电极材料。
图3为实施例2制得的碳基电极材料的高倍透射电镜图，从图中可以看出为不规则类球形结构。
图4为实施例2制得的碳基电极材料为电极材料的锂离子电池在0.1C的电流密度下的充放电曲线。从图中可以看出，该材料具有优异的储锂性能。根据计算得到在三电极体系下的比容量为623mAh/g，具有较高的能量密度。
实施例3
S1、将钢筋电渣压焊施工过程的废弃物冷却至25℃后通过人工敲取，磨成粉，废弃物为任意一种或几种的含碳纤维的废弃物，放入1M盐酸中浸泡48小时,去除粉末中的金属杂质离子，如铁、钴、镍等，再用去离子水离心洗涤至中性，过滤，放入干燥箱中干燥10小时，将所得粉末放入坩埚中；
S2、将上述坩埚放入真空气氛炉中,在惰性气氛中400℃煅烧180分钟后，高温加热用以去除废弃物中的高分子杂质和碳化样品，取出混合物；
S3、将上述混合物依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤6次，过滤，将所得的粉末置于干燥箱中以60℃的温度干燥12小时，制得作为锂离子电池负极材料的碳基电极材料。
图5是实施例3制备的碳基电极材料的电子能量损失图谱，从图中可以看出，在0.2-0.3eV的范围出现碳原子的单峰，表明本发明制备的材料主要以碳元素为主，没有其他元素。
实施例4
S1、将钢筋电渣压焊施工过程的废弃物冷却至25℃后通过人工敲取，磨成粉，废弃物为任意一种或几种的含碳纤维的废弃物，放入6M盐酸中浸泡12小时,去除粉末中的金属杂质离子，如铁、钴、镍等，再用去离子水离心洗涤至中性，过滤，放入干燥箱中干燥8小时，将所得粉末放入坩埚中；
S2、将上述坩埚放入真空气氛炉中,在惰性气氛中300度煅烧170分钟后，高温加热用以去除废弃物中的高分子杂质和碳化样品，取出混合物；
S3、将上述混合物依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤6次，过滤，将所得的粉末置于干燥箱中以60℃的温度干燥10小时，制得作为锂离子电池负极材料的碳基电极材料。
如图6所示，实施例4制备的碳基电极材料所组装的锂离子电池分别在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C的电流密度下的的比容量,从图中可以看出在不同电流密度下材料表现出较好的倍率性。
实施例5
S1、将钢筋电渣压焊施工过程的废弃物冷却至25℃后通过人工敲取，磨成粉，废弃物为任意一种或几种的含碳纤维的废弃物，放入3M盐酸中浸泡20小时,去除粉末中的金属杂质离子，如铁、钴、镍等，再用去离子水离心洗涤至中性，过滤，放入干燥箱中干燥10小时，将所得粉末放入坩埚中；
S2、将上述坩埚放入真空气氛炉中,在惰性气氛中1000℃煅烧30分钟后，高温加热用以去除废弃物中的高分子杂质和碳化样品，取出混合物；
S3、将上述混合物依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤4次，过滤，将所得的粉末置于干燥箱中以100℃的温度干燥6小时，制得作为锂离子电池负极材料的碳基电极材料。
如图7所示，为以1C的电流密度对电容器在0.01到3V进行恒流充放电，其比容量随循环次数的变化。可见，本发明所制备的碳基电极材料为负极材料的锂离子电池具有较好的循环性能，循环充放电50次后其容量几乎没有损失，并且由于活化的影响，比容量有轻微的升高。
综上，本发明具有以下优点：
本发明采用废弃建筑垃圾为原料，通过洗涤煅烧的方法获得，使反应条件温和，生产过程简化，成本低。制备的碳基电极材料具有较高的能量密度，比容量高达623mAh/g，而且具有较好的循环稳定性和倍率性。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种利用钢筋电渣压焊施工过程的废弃物制备锂离子电池负极材料的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1、将钢筋电渣压焊施工过程的废弃物磨成粉，经稀盐酸浸泡后，用去离子水洗涤至中性，过滤，在干燥箱中进行干燥，将得到的干燥粉末放入坩埚中；
S2、将装有干燥粉末的坩埚放入真空气氛炉中，在惰性气氛中煅烧后，取出混合物；
S3、将上述混合物依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤多次，过滤，将所得的粉末置于干燥箱中进行干燥，制得作为锂离子电池负极材料的碳基电极材料；
所述钢筋电渣压焊过程的废弃物为任意一种或几种的含碳纤维的废弃物；
步骤S1中，在稀盐酸中浸泡的时间为6～48小时，在干燥箱内进行干燥的时间为6～12小时；
步骤S2中，煅烧的温度为300～1000℃，煅烧时间为30～180分钟；
步骤S3中，将步骤S2得到的混合物依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤3～6次，在干燥箱中进行干燥的温度为60～100℃，干燥时间为6～12小时。
2.根据权利要求1所述的利用钢筋电渣压焊施工过程的废弃物制备锂离子电池负极材料的方法，其特征在于：步骤S1中，将钢筋电渣压焊过程的废弃物冷却至25℃后磨成粉。
3.根据权利要求1所述的利用钢筋电渣压焊施工过程的废弃物制备锂离子电池负极材料的方法，其特征在于：在稀盐酸中浸泡的时间为6～36小时，在干燥箱中干燥的时间为6～10小时。
4.根据权利要求1所述的利用钢筋电渣压焊施工过程的废弃物制备锂离子电池负极材料的方法，其特征在于：煅烧的温度为300～1000℃，煅烧时间为30～150分钟。
5.根据权利要求1所述的利用钢筋电渣压焊施工过程的废弃物制备锂离子电池负极材料的方法，其特征在于：步骤S3中，将步骤S2得到的混合物依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤4～6次，在干燥箱内进行干燥的温度为70～100℃，干燥时间为6～10小时。
6.一种锂电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，其特征在于：所述负极包括权利要求1-5任一所述的利用钢筋电渣压焊施工过程的废弃物制备锂离子电池负极材料的方法制得的锂离子电池负极材料。
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