CN110707291A - 一种利用回收碳材料制备锂硫电池正极的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及能源材料领域，尤其涉及一种利用回收碳材料制备锂硫电池正极的方法。其特征在于利用回收碳材料制备高比表面积介孔碳并作为锂硫电池正极导电骨架的方法。与现有技术相比本发明以废弃碳材料为原料，废品回收节能环保且降低生产成本，工艺简单且制备的锂硫电池性能优异，适合大规模商业电池的生产。
Description
【技术领域】
本发明属于能源材料领域，涉及一种利用回收碳材料制备锂硫电池正极的方法，具体涉及一种利用回收碳材料制备高比表面积介孔碳并作为锂硫电池正极导电骨架的方法。
【技术背景】
锂硫电池是锂电池的一种，是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池，是一种有前景的锂电池。硫对环境友好基本无污染，但硫导电性非常差且在充放电过程中有高达79％的体积膨胀/收缩,而采用硫和介孔碳材料复合，可同时解决硫的不导电和体积膨胀问题，从而有效提升锂硫电池各项性能。
同时碳材料的各种回收再利用技术越来越引起人们的重视。其中，最常用的处理方法为集中焚烧发电法，但这种方法能源利用效率低，且焚烧产生的大量废渣废气等不可避免对环境产生二次污染。如何提高各种废弃碳材料的再生价值是科研工作者争相探究的热点。
根据本方案利用回收碳材料制备锂硫电池正极，利用回收碳材料制备高比表面积介孔碳，并作为锂硫电池正极导电骨架的思路，在制备过程中无废渣废气产生，不会环境产生二次污染且经济附加值高。
【发明内容】
[要解决的问题]
本发明的目的是在于提供一种利用回收碳材料制备锂硫电池正极的方法。
本发明的另一目的是在于提供一种利用介孔碳材料同时解决锂硫电池中硫不导电和体积膨胀两大问题的方法。
本发明的另一目的是在于提供一种废弃碳材料的回收处理方法和再应用思路。
[技术方案]
针对上述锂硫电池中硫不导电和体积膨胀两大问题，本发明提供了一种利用回收废弃碳材料制做锂硫电池正极的方法。
本发明可通过以下技术方案实现：
一种利用回收碳材料制备锂硫电池正极的方法，其特征在于本方法是将碳材料制成高比表面积介孔碳材料并作为锂硫电池正极导电骨架的方法。
所述利用回收碳材料制备锂硫电池正极的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
(1)高活性介孔碳的制备：将废弃碳材料经碳化活化工艺制备成具有高活性的介孔碳并研磨成粉体材料，收集备用。
(2)将步骤(1)得到的碳粉与单质硫混合研磨并通过200筛网，未通过部分重新研磨直至通过为止，然后放入密闭容器内保温处理，得到活性正极材料，收集备用。
(3)将步骤(2)得到的活性正极材料与其他添加剂共研磨混合均匀，加入适量NMP作为溶剂搅拌充分均匀分散后在洁净铝箔上涂布，充分烘干溶剂后用极片冲切机将正极切成小圆片，压实圆片即得到目标锂硫电池正极。
[有益效果]
由于本发明采用了如上技术方案，因而具有如下优点：
1、同时解决硫的两大问题：以导电性良好的介孔碳为骨架能增大电极的导电性从而降低整体电阻，单质硫被嵌入介孔中增大了反应面积且为硫的体积变化提供了内容场所抑制了多硫化物的穿梭效应，从而改善了正极结构的稳定性提升电池的性能。
2、采用废弃碳材料为原料提升了能源利用效率，且根据本方案处理过程无衍生污染物产生对环境更友好；
3、采用废弃碳材料做电池用原料的思路，具有良好的适用性，规避了回收废弃物做其他用途所需要的多种繁杂工序。
4、采用本方案相较已有公开技术的生产成本低廉，可适于大规模商业生产。
【附图说明】
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进一步的详细描述，其中：
图1是氮吸附脱附测试锯木厂废弃木粉制备介孔碳的孔径分布图。
图2是根据本发明锂硫电池正极设计与制备的流程图。
图3是以废弃木粉为原料的锂硫电池充放电测试的前5个循环的比容量-电压图。
图4是以废弃烟头为原料的锂硫电池充放电测试的前5个循环的比容量-电压图。
图5是以核桃壳为原料的锂硫电池充放电测试的前5个循环的比容量-电压图。
【具体实施方式】
下面结合实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
预先将木粉碳化活化制成介孔碳材料，取10g木粉700℃氮气环境下碳化后研磨，加入KOH溶液(c＝6M/L,90mL)混合均匀后80℃烘干得到混合粉末放入氮气环境800℃活化2h,活化后洗涤至中性再烘干得到介孔碳，收集备用。取介孔碳与硫粉(取比例5:5和6:4，优选6:4)混合共研磨后过200目筛网，未通过部分重新研磨直至通过为止。将硫碳混合粉末置于密闭容器内155℃处理4h得到硫碳活性材料。取硫碳活性材料与导电剂乙炔黑和粘结剂PVDF(质量比为8:1:1或7:2:1，优选7:2:1)混合均匀后加入23滴NMP为溶剂，均匀分散后在洁净铝箔上涂布，充分烘干溶剂后用极片冲切机将正极切成小圆片，压实圆片即得到目标锂硫电池正极。组装2032扣式半电池并测试，电池比容量873mAh/g,5次循环后容量保持达81％。
实施例2：
预先将废弃烟头活化制成介孔碳材料，取10g滤芯洗涤几次基本去除杂质后充分干燥，置于碱溶液中浸渍10min后置于80℃烘箱中充分干燥，移入氮气氛围的管式炉中，设置25～200℃和400～800℃区间内快速升温(10℃/min)、200～400℃内慢升温(2℃/min)、在800℃保温120min活化的温度程序，冷却后取出洗涤至中性并充分干燥得到介孔碳，收集备用。取介孔碳与硫粉(取比例5:5和6:4，优选5:5)混合共研磨后过200目筛网，未通过部分重新研磨直至通过为止。将硫碳混合粉末置于密闭容器内155℃处理4h得到硫碳活性材料。取硫碳活性材料与导电剂乙炔黑和粘结剂PVDF(质量比为8:1:1或7:2:1，优选7:2:1)混合均匀后加入23滴NMP为溶剂，均匀分散后在洁净铝箔上涂布，充分烘干溶剂后用极片冲切机将正极切成小圆片，压实圆片即得到目标锂硫电池正极。组装2032扣式半电池并测试，电池比容量1020mAh/g,5次循环后容量保持达84％。
实施例3：
预先将核桃壳碳化活化制成介孔碳材料，取10g核桃壳700℃氮气环境下碳化后研磨，加入KOH溶液(c＝6M/L,90mL)混合均匀后80℃烘干得到混合粉末放入氮气环境800℃活化2h,活化后洗涤至中性再烘干得到介孔碳，收集备用。取介孔碳与硫粉(取比例5:5和6:4，优选6:4)混合共研磨后过200目筛网，未通过部分重新研磨直至通过为止。将硫碳混合粉末置于密闭容器内155℃处理4h得到硫碳活性材料。取硫碳活性材料与导电剂乙炔黑和粘结剂PVDF(质量比为8:1:1或7:2:1，优选7:2:1)混合均匀后加入23滴NMP为溶剂，均匀分散后在洁净铝箔上涂布，充分烘干溶剂后用极片冲切机将正极切成小圆片，压实圆片即得到目标锂硫电池正极。组装2032扣式半电池并测试，电池比容量1440mAh/g,5个循环后容量保持达83％。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之类。
Claims (6)
1.一种利用回收碳材料制备锂硫电池正极的方法，其特征在于该方法具体包括如下步骤：
(1)高活性介孔碳的制备：将废弃碳材料经碳化活化工艺制备成具有高活性的介孔碳并研磨成粉体材料，收集备用。
(2)将步骤(1)得到的碳粉与单质硫混合研磨并通过200筛网，未通过部分重新研磨直至通过为止，然后放入密闭容器内155℃保温处理4h，得到活性正极材料，收集备用。
(3)将步骤(2)得到的活性正极材料与其他添加剂共研磨混合均匀，加入适量NMP作为溶剂搅拌充分均匀分散后在洁净铝箔上涂布，充分烘干溶剂后用极片冲切机将正极切成小圆片，压实圆片即得到目标锂硫电池正极。
2.如权利要求1中所述介孔碳其特征在于孔径分布基本在1～10nm,比表面积范围为800～2200m2/g。
3.如权利要求1中所述介孔碳其特征在于在增强正极导电性的同时充当硫材料的结构稳定骨架。
4.如权利要求1中所述一种利用回收碳材料制备锂硫电池正极的方法，其特征在于在制备过程中无废渣废气向环境排放。
5.如权利要求1中所述一种利用回收碳材料制备锂硫电池正极的方法，其特征在于以废弃碳材料为原料。
6.如权利要求1中所述添加剂其特征在于包含导电剂、粘结剂、表面活性分散剂等其中的一种或多种。
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