一种利用废纸箱制备硬碳负极材料的方法及其应用技术

本发明专利技术属于电池负极材料电极及其制备技术领域，尤其是涉及一种利用废纸箱制备硬碳负极材料的方法及其应用。本发明专利技术所述的废纸箱硬碳负极材料是采用一级废纸箱作为碳源，经过预碳化——碳化二步烧结处理完成制备的。在研究过程中发现，以此方案制得的废纸箱硬碳材料作钠离子电池负极材料时，电池具有较高的首圈库伦效率和充放电比容量；进一步地研究表明，以此作为钠离子电池负极材料制得的扣式电池在电流密度0.5C、1C等高倍率条件下，电池仍能保持良好的充放电比容量，且电池循环性能优良。且电池循环性能优良。且电池循环性能优良。

【技术实现步骤摘要】
一种利用废纸箱制备硬碳负极材料的方法及其应用


[0001]本专利技术属于电池负极材料电极及其制备
，尤其是涉及一种利用废纸箱制备硬碳负极材料的方法及其应用。

技术介绍

[0002]随着世界经济和科学技术的发展，人类对化石能源的需求剧增，传统化石能源资源匮乏，且其燃烧产物会造成大气污染，因此我们急需探索更绿色更高效的能源储备和能源转换设备，减少增高能源的利用率。随着锂离子电池在全球范围内的成功应用，人类对锂资源的需求大大增加，而锂在地壳中的储量非常有限，仅占0.0065%，且分布不均匀，这将会成为发展应用在智能电网和可再生能源大规模电能储存的长寿命电池中的瓶颈。钠与锂具有高度相似的物理性质和化学一致，同属碱金属元素，所以钠离子电池与锂离子电池的工作原理也近乎相同。钠2.6%的地壳丰度远高于锂，相比之下钠元素来源广泛，价格低廉，价格较低且受需求波动影响较小，可以满足大规模应用的需要，钠离子电池有望成为新一代更安全、更经济，能量密度相对弱化的储能装置和转换设备。
[0003]负极材料是开发钠离子电池的关键技术材料之一，影响着钠离子电池的各类性能。目前钠离子电池主流的负极材料主要是硬碳材料，硬碳材料相对石墨具有更大的层间距，平均层间距可达0.41nm，具有丰富的储钠环境，钠离子可有效的进行嵌入和脱嵌，硬碳理论储钠克容量可达530mAh/g。硬碳作为一种无定形碳，内部石墨微晶排列更加的无序、杂乱，拥有更多的缺陷和空位，故可以提供更多的储钠活性点位。硬碳材料也具有较低的平台电压和较好的循环稳定性，而其首圈库伦效率较低，因此开发高容量、良好稳定性和高首圈库伦效率的钠离子电池硬碳负极材料是现阶段科研的重点。
[0004]将废纸箱经过前处理再碳化之后制备所得的钠离子电池硬碳负极材料，提升了钠离子电池的电化学性能，电池的稳定性增强，高倍率条件下循环多次之后仍有较高的容量保持率。利用废纸箱所制备的硬碳原料来源广泛、价格低廉、转化率高、废物再利用、制备工艺简单等优点，因此废纸箱制备钠离子电池的硬碳负极材料拥有非常广阔的前景，是一种非常理想的钠离子电池负极材料。

技术实现思路

[0005]在现有技术背景条件下，为克服现有技术所存在的至少之一的技术问题或缺点，本专利技术提供了一种利用废纸箱制备硬碳负极材料的方法及其应用。
[0006]本专利技术未解决上述技术问题及缺点，通过一下技术方案得以实现：一种利用废纸箱制备硬碳负极材料的方法，具体方法如下：步骤一，将废纸箱用碎纸机粉碎成废纸箱碎片，粉碎后收集、装袋；步骤二，取步骤一所得的废纸箱碎片100～300g放入坩埚，将坩埚置于气氛炉中，在惰性气氛条件下，将废纸箱碎片进行线性升温预碳化处理，再预碳化保温一段时间；步骤三，用气流粉碎机将步骤二预碳化处理的废纸箱碎片进行进一步地破碎，取
粉碎后的材料用Bettersize2600激光粒度仪进行粒径分析，控制粒径D50在7～10um；步骤四，取步骤三粉碎后的材料20～40g于烧杯，向烧杯中加入0.5～7Mol/L的氢氧化钠溶液，NaOH与物料比一定比例混合，使其在常温下，磁力搅拌浸泡一段时间，再将混合悬浊液用去离子水过滤、洗涤至中性；步骤五，将步骤四洗涤后的物料置于烧杯，再向烧杯中加入0.5～7Mol/L的盐酸，HCl与物料混合，使其在常温下，磁力搅拌浸泡一段时间，再将混合悬浊液用去离子水过滤、洗涤至中性，最后将滤渣放入鼓风干燥箱中105℃烘干； 步骤六，取步骤五烘干后的物料于坩埚中，在惰性气氛条件下进行线性高温碳化烧结，烧结保温一段时间；步骤七，对步骤六所述废纸箱硬碳负极材料进行筛分，得到粒径达标的废纸箱硬碳负极材料；无法过筛的大颗粒再进行气流粉碎，以保证废纸箱硬碳负极材料粒径的均一性，即得到废纸箱硬碳负极材料。
[0007]步骤一中所述的废纸箱选取一级废纸箱、二级废纸箱、三级废纸箱的一种或多种。优选为一级废纸箱。
[0008]步骤二中预碳化处理温度为350℃～650℃，预碳化保温时间为0.5h～6h；所述的线性升温，升温速率为2～10℃/min。最优选地，步骤二所述预碳化处理温度为450℃，预碳化保温时间为2.5h；所述的线性升温，升温速率为3℃/min。
[0009]步骤三中气流粉碎机的压力为4MPa～10MPa。最优选地，步骤三所述气流粉碎压力为7MPa。
[0010]步骤四中NaOH与物料比为：0.5～7mol:20～40g，磁力搅拌浸泡时间为3h～10h。最优选地，取步骤三粉碎后的材料25g于烧杯，向烧杯中加入3Mol/L的氢氧化钠溶液，NaOH与物料比为：1.5mol：25g，使其在常温(25℃)下，磁力搅拌浸泡5h。
[0011]步骤五中HCl与物料比为：0.5～7mol:20～40g，磁力搅拌浸泡时间为3h～10h。最优选地，将步骤四洗涤后的物料置于烧杯，向烧杯中加入3Mol/L的盐酸，HCl与物料比为：3mol：20g，使其在常温(25℃)下，磁力搅拌浸泡5h。
[0012]步骤六中碳化烧结温度为1000℃～1600℃，烧结保温时间为1h～12h；所述的线性升温，升温速率为2～10℃/min。最优选地，步骤六所述高温碳化处理温度为碳化烧结温度为1250℃，烧结保温时间为6h；所述的线性升温，升温速率为5℃/min。
[0013]步骤七中所述筛分所用筛网目数为50～800目。最优选地，步骤七废纸箱硬碳材料进行筛分，所述筛分所用筛网目数为600目。
[0014]本专利技术所述的废纸箱硬碳负极材料是采用一级废纸箱作为碳源，经过预碳化——碳化二步烧结处理完成制备的。在研究过程中发现，以此方案制得的废纸箱硬碳材料作钠离子电池负极材料时，电池具有较高的首圈库伦效率和充放电比容量；进一步地研究表明，以此作为钠离子电池负极材料制得的扣式电池在电流密度0.5C、1C等高倍率条件下，电池仍能保持良好的充放电比容量，且电池循环性能优良。
[0015]对本专利技术制备所得的废纸箱硬碳负极材料作钠离子电池负极材料的电化学测试方法如下：1.电池性能测试本专利技术采取扣式电池法，其中电解液为1.0M NaFP6，溶剂为DIGLYME，钠片作为正极片，隔膜采用玻纤隔膜，负极片为本专利技术废纸箱硬碳负极材料；2.对扣电进行各类倍率、循环、滴定测试，以此得到本专利技术废纸箱硬碳材料的基本
电化学性能数据。
[0016]由以上方案所制得的废纸箱硬碳负极材料，相对于现有技术条件，具有以下优势：1.废纸箱产量较高，材料易于获取，废纸箱生产工艺简单，原材料木浆能有很大的保障；2.本方案通过预碳化烧结——碱处理——酸处理——高温碳化烧结处理得到废纸箱硬碳负极材料，整体实验过程操作简单、风险低，且通过酸碱处理之后能进一步除去废纸箱中的灰分，相比于其他的生物质基、沥青基硬碳材料，烧结产生的有害物质极低；3.本方案废纸箱所需的高温碳化烧结温度相较于其他生物质基材料更低，所需能耗更少，操作步骤更少更为简单，非常适合与大规模工业化生产；4本专利技术所制得的废纸箱硬碳材料用作钠离子电池负极材料时，在高倍率高电流的测试条件下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用废纸箱制备硬碳负极材料的方法，其特征在于，具体方法如下：步骤一，将废纸箱用碎纸机粉碎成废纸箱碎片，粉碎后收集、装袋；步骤二，取步骤一所得的废纸箱碎片100～300g放入坩埚，将坩埚置于气氛炉中，在惰性气氛条件下，将废纸箱碎片进行线性升温预碳化处理，再预碳化保温；步骤三，用气流粉碎机将步骤二预碳化处理的废纸箱碎片进行进一步地破碎，取粉碎后的材料用Bettersize2600激光粒度仪进行粒径分析，控制粒径D50在7～10um；步骤四，取步骤三粉碎后的材料20～40g于烧杯，向烧杯中加入0.5～7Mol/L的氢氧化钠溶液，NaOH与物料混合，使其在常温下，磁力搅拌浸泡，再将混合悬浊液用去离子水过滤、洗涤至中性；步骤五，将步骤四洗涤后的物料置于烧杯，再向烧杯中加入0.5～7Mol/L的盐酸，HCl与物料混合，使其在常温下，磁力搅拌浸泡，再将混合悬浊液用去离子水过滤、洗涤至中性，最后将滤渣放入鼓风干燥箱中105℃烘干； 步骤六，取步骤五烘干后的物料于坩埚中，在惰性气氛条件下进行线性高温碳化烧结，烧结保温；步骤七，对步骤六所述废纸箱硬碳负极材料进行筛分，得到粒径达标的废纸箱硬碳负极材料；无法过筛的大颗粒再进行气流粉碎，以保证废纸箱硬碳负极材料粒径的均一性，即得到废纸箱硬碳负极材料。2.如权利要求1所述的一种利用废纸箱制备硬碳负极材料的方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗皊硕，朱思杰，陈茂林，王伟，熊瑾斌，张冷培，
申请(专利权)人：乐凯钠储上海技术有限公司，
类型：发明
国别省市：