[发明专利]以废旧锂硫或镁硫电池为原料的硫原子掺杂碳材料及其制备与应用

说明书

本发明涉及以废旧锂硫或镁硫电池为原料的硫原子掺杂碳材料及其制备与应用，以废旧锂硫或镁硫电池在充放电过程中的中间产物多硫化物作为硫源，正极涂层中的碳材料和粘结剂或隔膜作为碳源，加热碳化，即得到目的产物。与现有技术相比，本发明制备的硫掺杂的碳材料不仅电导率高、层间距增加，而且增强了碳材料的极性，应用在金属离子二次电池(钠离子、钾离子和镁离子)、锂硫电池、镁硫电池以及燃料电池催化剂中都具有有益的效果。

技术领域

本发明属于废旧电池资源化处理技术领域，涉及一种以废旧锂硫或镁硫电池为原料的硫原子掺杂碳材料及其制备与应用。

背景技术

随着储能领域的快速发展，对高效低成本储能电池提出了迫切需求。由于金属锂资源的储量有限，因此也迫切开发出新型的金属二次电池，如钠离子电池、钾离子电池和镁电池等。此外，由于目前锂离子电池的能量密度已经无法满足实际的需求，对更高能量密度的电池体系也非常迫切，以锂硫电池和镁硫电池等为代表的高能量密度电池也成为研究的焦点。然而，无论是低成本的新型金属离子电池还是高能量密度的锂硫和镁硫电池等都急需高性能的碳材料作为支撑，如，能够更多和更快脱嵌金属离子的负极，能够负载正极硫以及具有吸附多硫离子功能的碳材料。

就新型金属离子二次电池(钠离子电池、钾离子电池和镁电池等)而言，目前为了提升负极材料的性能普遍采用硫掺杂的碳材料，而异质硫元素的来源多为预先合成的导电聚合物(Advanced Science 2(12),2015.)或购买的商品硫粉(Energy&EnvironmentalScience 8(10),2916,2015.)，不仅存在成本较高的缺陷，而且也不利于资源化的再利用；就锂硫电池和镁硫电池而言，硫原子掺杂的碳材料不仅能够提升碳材料的电子电导率，而且还能够提高对中间产物多硫离子的吸附能力，进而提升锂硫电池和镁硫电池的倍率性能、容量性能和循环性能。目前报道的用于锂硫电池或镁硫电池正极硫载体的硫原子掺杂碳材料的制备多使用聚合物做硫源及糖类做碳源(Advanced Materials 27(39),6021,2015；Scientific reports 5,13340,2015.)然而，锂硫电池自身组成中含有丰富的硫源和碳源，若能够加以利用的话，不仅降低硫原子掺杂碳材料的成本，而且还能够实现废旧锂硫电池的资源化再利用，具有一定的经济意义和环境意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种以废旧锂硫或镁硫电池为原料的硫原子掺杂碳材料及其制备与应用。相对于现有技术，本方法成本低、环境友好以及实现了资源化再利用。此外，硫掺杂的碳材料不仅电导率高、层间距增加，而且增强了碳材料的极性。应用在金属离子二次电池(钠离子、钾离子和镁离子)、锂硫电池、镁硫电池以及燃料电池催化剂中都具有有益的效果。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种以废旧锂硫或镁硫电池为原料的硫原子掺杂碳材料的制备方法，以废旧锂硫或镁硫电池在充放电过程中的中间产物多硫化物作为硫源，以锂硫或镁硫电池正极涂层中的导电炭黑或粘结剂为或隔膜为碳源，高温热处理碳化，即得到目的产物。

进一步的，所述中间产物多硫化物S_x^2-，其中，1≤x≤8。根据锂硫电池的充放电原理，能够通过不同的充放电电压控制中间产物多硫化锂的种类，进而得到不同的中间产物多硫化物(Anal.Chem.,2012,84(9):3973)，其中，锂硫电池的充放电电压区间为1.5V-2.8V。镁硫电池的充放电电压区间为0.4V-1.7V。

进一步的，多硫化物和碳源混合物的获取通过将不同电压废旧锂硫或镁硫电池拆解后的正极经过物理机械破粹将金属铝与图层分离后得到。

进一步的，加热碳化的温度为500-1500℃，时间为0.5-6h。

进一步的，加热碳化在惰性气体保护气氛下进行，所述惰性气体为氩气或氮气。