CN105161687B - 一种硒复合电极材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硒复合电极材料的制备方法。该方法以可溶性亚硫酸盐和硒为原料,通过反应生成硒代硫酸盐,以高比表面积和导电性的碳材料为载体,沉积硒、聚合物,获得硒复合电极材料;通过调控醇溶液浓度、种类和滴入速率,有利于控制硒沉积速率;获得颗粒细小、包覆均匀的硒复合电极材料。该复合材料用于锂硒电池正极时,具有很高的比容量和优异的循环性能,在电池领域具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电化学电源领域,具体涉及一种硒复合电极材料的制备方法。
背景技术
锂硒电池具有比容量高、导电性好等优点,是非常有发展潜力的储能电池。与其它正极材料,尤其是同族硫正极相比,硒的导电性高、活性物质利用率高、容量衰减小,作为新型金属锂二次电池,具有非常重要的科研价值和应用潜力。硒正极材料颗粒尺寸是影响锂硒电池性能的重要因素。传统的硒正极材料颗粒尺寸大,导致锂硒电池容量低,在一定程度上制约了锂硒电池推广和应用。限制硒正极材料尺寸、提高硒材料的导电性已成为锂硒电池的研究热点。专利(一种锂硒电池Se-C正极复合材料的制备方法,201410848164.X)采用机械球磨法混合硒、碳材料,然后在微波炉中加热熔融,使硒颗粒均匀分散在碳表面。该方法具有烧结时间短,硒传递速度快等优点,制备的Se-C材料具有很好的电化学性能。专利(基于三维石墨烯自支撑结构的介孔碳负载硫/硒柔性电极及其制备方法与应用,201410076977.1)制备高性能的三维石墨烯-介孔碳复合材料为载体,并与硒单质熔融复合,制备的石墨烯-介孔碳-硒复合材料具有很好的力学性能和电化学性能。显然,采用高比表面积、高导电性的材料与硒单质熔融复合,提高了硒的导电性和减小了硒的颗粒尺寸,从而改善锂硒电池的电化学性能。但硒单质的熔点217℃、沸点684℃。采用熔融法制备硒复合材料需要消耗大量的能量,而且无法有效掌控硒复合材料性能的一致性。采用气相沉积法制备硒复合材料是保证硒均匀沉积载体表面的有效方法。专利(锂硒电池正极材料及其制备方法以及锂硒电池,201410638938.6)采用硒化氢气体通入饱和的氧化石墨烯分散液,通过氧化还原反应将单质硒原位生长在分散的石墨烯表面,再将石墨烯相互搭接,组装成多孔宏观材料,形成石墨烯与单质硒完全均匀混合的复合结构,提高了锂硒电池的电化学性能。但硒化氢毒性强,混合空气易爆,在使用过程中存在安全隐患。
不可否认,采用比表面积大,孔尺寸小的材料负载硒颗粒,有效限制了硒单质的颗粒大小,同时导电性良好的材料提高了单质硒的导电率.但目前的制备工艺存在能耗大、硒颗粒分布不一致而导致产品性能差、在制备过程中存在安全隐患等缺点,限制了其推广和应用;其次,硒沉积在材料表面,在充放电过程中体积膨胀和收缩,若硒颗粒表层无其它包覆物,必然会出现硒颗粒脱落而引起循环容量衰减现象。
发明内容
本发明目的在于提供一种硒复合电极材料的制备方法,克服现有制备技术的缺陷,提高硒电极材料的电化学性能。为实现上述发明目的,本发明的技术方案是:以可溶性亚硫酸盐和硒为原料,通过反应生成硒代硫酸盐,以高比表面积的碳材料为载体,沉积硒、聚合物,获得硒复合电极材料;可溶性亚硫酸盐为亚硫酸钠、亚硫酸钾、亚硫酸铵、亚硫酸铜的一种或二种;硒为粉末、片状或块体的一种;碳材料为活性炭、石墨烯、石墨、介孔碳、碳纳米管或炭黑的一种;聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔的一种;硒占硒复合电极材料总质量的60~95%,碳材料占硒复合电极材料总质量总质量的2~20%,聚合物占硒复合电极材料总质量的3~20%;硒复合电极材料的制备方法包括如下步骤:
1)称量一定质量的亚硫酸盐和硒按一定比例混合于去离子水,搅拌均匀:加热回流,温度控制在70~200℃,回流时间5~40h;获得硒代硫酸盐;
2)步骤1产物过滤分离,获得溶液;按比例滴入醇溶液,并搅拌2~10h,获得碳/硒复合材料;
3)称量一定质量的碳/硒复合材料混合酒精水溶液,加入一定量的聚合物前驱体,匀速搅拌2~5h;然后加入引发剂,搅拌、静置、过滤、真空烘干,获得硒电极材料。
所述的步骤1中亚硫酸盐和硒的摩尔比例为1∶1~20∶1;
所述的步骤2中的醇与硒摩尔比为1∶1~2.5∶1;
所述的步骤2中醇溶液的溶质为C1~C8的一元醇、二元醇、三元醇的一种;
所述的步骤2中醇溶液的溶剂为水、C5~C10的烷烃、芳香烃和醚类的一种;
所述的步骤2中醇溶液的溶质与溶剂体积比为0.1~0.8。
本发明提供的硒复合电极材料的制备方法,与其它硒复合正极材料制备方法相比,具有如下优点:
1)本发明工艺简单、操作方便,有利于工业化生产。
2)硒代硫酸盐溶液混合碳材料,实现原子级别混合,有利于获得尺寸很小的硒/碳复合材料;
3)调控醇溶液浓度、种类和滴入速率,有利于控制硒沉积速率;
4)硒复合电极材料内层为碳材料,外层包覆聚合物;该结构不但有利于电子传导,而且阻止硒单质颗粒在充放电循环过程中脱落或进入电解液,有利于降低硒复合材料的穿梭效应。
5)硒复合电极材料中,硒占硒复合电极材料总质量的60~95%,碳材料占硒复合电极材料总质量总质量的2~20%,聚合物占硒复合电极材料总质量的3~20%;所制备的硒复合电极材料,具有高比容量和长循环寿命;0.1C循环100次后,容量大于480mAh/g。
附图说明:
图1为本发明硒复合电极材料的制备示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效,兹举以下实施例,并配合附图详细说明如下:
请参阅附图1
实施例1
一种硒复合电极材料的成分设计为:
聚苯胺,15wt%;硒单质,质量分数77%;石墨烯,质量分数8wt%;
一种硒复合电极材料的制备方法:包括以下步骤:
1)称量一定质量的亚硫酸钠和硒按一定比例混合于去离子水,搅拌均匀:加热回流,温度控制在100℃,回流时间15h;获得硒代硫酸钠;设置亚硫酸钠和硒的摩尔比例为2∶1:
2)步骤1产物过滤分离,获得硒代硫酸钠溶液;按比例滴入乙醇己烷溶液,并搅拌5h,获得碳/硒复合材料;设置乙醇与硒的摩尔比为1.05;乙醇与己烷体积比为0.1;
3)称量一定质量的碳/硒复合材料混合酒精水溶液,加入一定量的聚苯胺前驱体,匀速搅拌5h;然后加入引发剂,搅拌、静置、过滤、真空烘干,获得硒复合电极材料。
图1为硒复合电极材料的制备示意图。采用本实施例制备的锂硒电池电极与锂负极组装成扣式电池,采用Land电池测试系统进行恒流充放电测试。复合材料100次循环后,0.1C放电比容量依然大于480mAh/g。
实施例2
一种硒复合电极材料的成分设计为:
聚苯胺,15wt%;硒单质,质量分数73%;石墨,质量分数12wt%;
聚吡咯,15wt%;硒单质,质量分数73%;碳纳米管,质量分数12wt%;
聚噻吩,15wt%;硒单质,质量分数73%;炭黑,质量分数12wt%;
一种硒复合电极材料的制备方法:包括以下步骤:
1)称量一定质量的亚硫酸钾和硒按一定比例混合于去离子水,搅拌均匀:加热回流,温度控制在150℃,回流时间20h;获得硒代硫酸钾;设置亚硫酸钾和硒的摩尔比例为3.5∶1:
2)步骤1产物过滤分离,获得硒代硫酸钾溶液;按比例滴入乙二醇苯溶液,并搅拌8h,获得碳/硒复合材料;设置乙二醇与硒的摩尔比为1.3;乙二醇与苯体积比为0.8;
3)称量一定质量的碳/硒复合材料混合酒精水溶液,加入一定量的聚合物前驱体,匀速搅拌4h;然后加入引发剂,搅拌、静置、过滤、真空烘干,获得硒复合电极材料。
采用本实施例制备的锂硒电池电极与锂负极组装成扣式电池,采用Land电池测试系统进行恒流充放电测试。复合材料100次循环后,0.1C放电比容量依然大于480mAh/g。
实施例3
一种硒复合电极材料的成分设计为:
聚苯胺,20wt%;硒单质,质量分数75%;石墨烯,质量分数5wt%;
聚苯胺,10wt%;硒单质,质量分数75%;石墨烯,质量分数15wt%;
聚苯胺,5wt%;硒单质,质量分数75%;石墨烯,质量分数20wt%;
一种硒复合电极材料的制备方法:包括以下步骤:
1)称量一定质量的亚硫酸钠和硒按一定比例混合于去离子水,搅拌均匀:加热回流,温度控制在120℃,回流时间20h;获得硒代硫酸钠;设置亚硫酸钠和硒的摩尔比例为5∶1:
2)步骤1产物过滤分离,获得硒代硫酸钠溶液;按比例滴入丙三醇水溶液,并搅拌5h,获得碳/硒复合材料;设置丙三醇与硒的摩尔比为2.0;丙三醇与水体积比为0.8;
3)称量一定质量的碳/硒复合材料混合酒精水溶液,加入一定量的聚合物前驱体,匀速搅拌4h;然后加入引发剂,搅拌、静置、过滤、真空烘干,获得硒复合电极材料。
采用本实施例制备的锂硒电池电极与锂负极组装成扣式电池,采用Land电池测试系统进行恒流充放电测试。复合材料100次循环后,0.1C放电比容量依然大于480mAh/g。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (1)
1.一种硒复合电极材料的制备方法,其特征在于:以可溶性亚硫酸盐和硒为原料,通过反应生成硒代硫酸盐,以高比表面积的碳材料为载体,沉积硒、聚合物,获得硒复合电极材料;可溶性亚硫酸盐为亚硫酸钠、亚硫酸钾、亚硫酸铵、亚硫酸铜的一种或二种;硒为粉末、片状或块体的一种;碳材料为活性炭、石墨烯、石墨、介孔碳、碳纳米管或炭黑的一种;聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔的一种;硒占硒复合电极材料总质量的60~95%,碳材料占硒复合电极材料总质量总质量的2~20%,聚合物占硒复合电极材料总质量的3~20%;该硒复合电极材料的制备方法包括如下步骤:
1)称量一定质量的亚硫酸盐和硒按一定比例混合于去离子水,搅拌均匀;加热回流,温度控制在70~200℃,回流时间5~40h;获得硒代硫酸盐;
其中,亚硫酸盐和硒的摩尔比例为1∶1~20∶1;
2)步骤1产物过滤分离,获得溶液,按比例加入碳材料,搅拌2~10h;然后按比例滴入醇溶液,并获得碳/硒复合材料;
其中,醇与硒的摩尔比为1∶1~2.5∶1;醇溶液的溶质为C1~C8的一元醇、二元醇、三元醇的一种;溶剂为水、C5~C10的烷烃、芳香烃和醚类的一种;溶质与溶剂的体积比为0.1~0.8∶1;
3)称量一定质量的碳/硒复合材料混合酒精水溶液,加入一定量的聚合物前驱体,匀速搅拌2~5h;然后加入引发剂,搅拌、静置、过滤、真空烘干,获得硒复合电极材料。
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