CN105762344A - 电极和电极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电极和电极材料的制备方法。其中，电极材料的制备方法包括步骤：将醋酸纤维放入二氯化钒、二氯化铅、二氯化钨和二氯化镍其中之一的溶液，或其中至少两种按任意比混合的溶液，并在超声波振荡环境下在上述溶液中浸泡60?120分钟；从上述溶液中取出醋酸纤维，干燥，再经过高温碳化处理，使醋酸纤维形成具有微孔结构的多孔层状碳材料，且分别生成金属细微颗粒以及相应的金属氧化物细微颗粒，且上述金属细微颗粒及上述金属氧化物细微颗粒均匀的分布在多孔层状碳材料的表面微孔之中或层状碳材料的层与层之间褶皱之间，得到用于制作电极的碳化复合材料。本发明的电极材料具备具有较佳电化学性能且成本较低。

Description

电极和电极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种电极材料，尤其是涉及一种电极及电极材料的制备方法。
背景技术
二次电池是除了能够将化学能转化为电能而进行放电以外，可通过使电流向与放电时相反的方向流动，将电能转化为化学能而进行充电的电池。近年来，使用铝金属为负极的铝二次电池的研究开发正在积极进行。铝电池由于铝金属的高离子化倾向，例如与锰电池那样的使用锌金属为负极的以往的电池相比，能够提高电动势，能够期待高电压和高容量。然而，在使用氯化铁作为正极活性物质的铝电池中，由于该氯化铁在电解质中溶出，因此该铝电池的循环特性极其恶化。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种具有较佳电化学性能且成本较低的电极及电极材料的制备方法。
一种电极材料的制备方法，其包括步骤：
将醋酸纤维放入二氯化钒、二氯化铅、二氯化钨和二氯化镍其中之一的溶液，或其中至少两种按任意比混合的溶液，并在超声波振荡环境下在上述溶液中浸泡60-120分钟；
从上述溶液中取出醋酸纤维，干燥，再经过高温碳化处理，使醋酸纤维形成具有微孔结构的多孔层状碳材料，且二氯化钒、二氯化铅、二氯化钨或/和二氯化镍在高温碳化处理过程中分别生成了钒、铅、钨或/和镍的金属细微颗粒以及氧化钒、氧化铅、氧化钨或/和氧化镍的金属氧化物细微颗粒，且上述金属细微颗粒及上述金属氧化物细微颗粒均匀的分布在多孔层状碳材料的表面微孔之中或层状碳材料的层与层之间褶皱之间，得到用于制作电极的碳化复合材料。
其中，步骤(1)中溶液浓度为3wt％～5wt％。
一种电极，其包括上述制备得到的碳化复合材料粉末、乙炔黑及粘结剂，且碳化复合材料粉末、乙炔黑及粘结剂的质量比为75：15：10，适量的N-甲基-2-吡咯烷酮。
其中，粘结剂为聚四氟乙烯。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
由于醋酸纤维经过二氯化钒VCl2、二氯化铅PbCl2、二氯化钨WCl2和/或二氯化镍NiCl2活化处理并经过高温碳化后，形成具有微孔结构的多孔层状碳材料，多孔层状碳材料的表面积较大，且表面的微孔的孔径分布较好，能够吸收大量电解离子，具有快速的离子迁移性，故提高了其电化学性能，并且，在高温碳化过程中生成的适量的金属(钒、铅、钨或/和镍)颗粒及对应的金属氧化物(氧化钒、氧化铅、氧化钨或/和氧化镍)颗粒均匀的分布在多孔层状碳材料的表面微孔之中或层状碳材料的层与层之间褶皱之间，从而提高了电化学性能。
附图说明
图1是电极不同扫描速率下的循环伏安(CV)曲线示意图。
图2是电极分别在电流密度为1A/g～10A/g下的恒流充放电的示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种电极材料的制备方法，包括步骤：将醋酸纤维放入二氯化钒VCl2、二氯化铅PbCl2、二氯化钨WCl2和二氯化镍NiCl2其中之一的溶液，或其中至少两种按任意比混合的溶液，溶液浓度为3wt％～5wt％为佳，并在超声波振荡环境下在上述溶液中浸泡60-120分钟；从上述溶液中取出醋酸纤维，干燥，再经过高温碳化处理，得到碳化复合材料粉末。该碳化复合材料粉末为可用于制作电极的材料。
其中，高温碳化处理的过程中，发生如下化学反应：3XCl2+2C+3O2＝X+3Cl2+2XCO3(高温)，XCO3＝XO+CO2(高温)，其中X表示V、Pb、W或Ni。上述化学反应过程中C来自于被碳化的醋酸纤维、O2来自残留在高温碳化处理环境中的氧气，上述化学反应过程也是对被碳化的醋酸纤维(即碳材料)被腐蚀从而形成大量的微孔结构的过程。
也就是说，二氯化钒、二氯化铅、二氯化钨或/和二氯化镍在对醋酸纤维在高温碳化处理的过程中，分别生成了钒、铅、钨或/和镍的细微颗粒，并随后又有一部分生成了氧化钒、氧化铅、氧化钨或/和氧化镍的细微颗粒。
经过高温碳化后，醋酸纤维变成具有多微孔且为层状结构的多微孔层状碳材料，且二氯化钒、二氯化铅、二氯化钨或/和二氯化镍在高温碳化处理的过程中生成的钒、铅、钨或/和镍的细微颗粒、以及生成的氧化钒、氧化铅、氧化钨或/和氧化镍的细微颗粒，均匀的分布在多孔层状碳材料的表面微孔之中或层状碳材料的层与层之间褶皱之间。
将上述制备的碳化复合材料粉末、乙炔黑及粘结剂按质量比75：15：10混合，滴加适量的N-甲基-2-吡咯烷酮，不断研磨搅拌至均匀糊状；将上述糊状混合物均匀涂布于金属棒(比如铝、铜等)上，真空干燥即制作成电极，或者将上述糊状混合物均匀地涂抹在泡沫镍的一侧面上，然后将其置于干燥箱中干燥，再将干燥后的泡沫镍置于压片机上进行压片处理也可以制成电极。
其中，粘结剂为现有制备电极所使用的任何一种，比如，粘结剂为聚四氟乙烯。
在研究电池电极材料时，通常是利用三电极测试系统进行测试评估。上述所制备的电极片为工作电极，对电极是铂片，参比电极是银/氯化银电极，室温下在5mol/L的KOH电解液中测试，测试设备为电化学工作站。循环伏安测试的电位窗口设为0V～0.5V，扫速为10mV/s～200mV/s。恒流充放电的测试窗口为0V～0.5V，电流密度分别为1A/g～10A/g。
图1是电极不同扫描速率下的循环伏安(CV)曲线示意图(横坐标为电压，纵坐标为电流)。将上述电极在5mol/L的KOH溶液中,不同扫描速率下的循环伏安(CV)曲线，很明显的是扫描速率越大，曲线所围的面积就越大，另外从循环伏安曲线的形状来看，当扫速低于100mV/s时，样品的循环伏安曲线所围成的图形接近矩形，说明相应的电极材料具备良好的传输电荷和电解液中离子的能力。
图2是电极分别在电流密度为1A/g～10A/g下的恒流充放电的示意图(图2中从左到右的4根曲线分别为电流密度为10A/g、5A/g、2A/g和1A/g下的恒流充放电曲线)。从图2中可以看出在电流密度为1A/g条件下，电极恒流充放电曲线近似呈现为对称形状，说明其具有优良的电化学性能，但其形状又有些与氧化物类似，并且随着电流密度的减小越来越明显，具体表现为充电过程中电压随时间的增速越来越慢，充电曲线的斜率减小，偏离了碳材料常见的线性上升特征，这说明电极材料中含有的金属氧化物(氧化钒、氧化铅、氧化钨或/和氧化镍)也有效的参与到了电量的储存中，为提高材料的电化学性能做出了贡献。
综上，由于醋酸纤维经过二氯化钒VCl2、二氯化铅PbCl2、二氯化钨WCl2和/或二氯化镍NiCl2活化处理并经过高温碳化后，形成具有微孔结构的多孔层状碳材料，多孔层状碳材料的表面积较大，且表面的微孔的孔径分布较好，能够吸收大量电解离子，具有快速的离子迁移性，故提高了其电化学性能，并且，在高温碳化过程中生成的适量的金属(钒、铅、钨或/和镍)颗粒及对应的金属氧化物(氧化钒、氧化铅、氧化钨或/和氧化镍)颗粒均匀的分布在多孔层状碳材料的表面微孔之中或层状碳材料的层与层之间褶皱之间，从而提高了电化学性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电极材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)将醋酸纤维放入二氯化钒、二氯化铅、二氯化钨和二氯化镍其中之一的溶液，或其中至少两种按任意比混合的溶液，并在超声波振荡环境下在上述溶液中浸泡60-120分钟；
(2)从上述溶液中取出醋酸纤维，干燥，再经过高温碳化处理，使醋酸纤维形成具有微孔结构的多孔层状碳材料，且二氯化钒、二氯化铅、二氯化钨或/和二氯化镍在高温碳化处理过程中分别生成了钒、铅、钨或/和镍的金属细微颗粒以及氧化钒、氧化铅、氧化钨或/和氧化镍的金属氧化物细微颗粒，且上述金属细微颗粒及上述金属氧化物细微颗粒均匀的分布在多孔层状碳材料的表面微孔之中或层状碳材料的层与层之间褶皱之间，得到用于制作电极的碳化复合材料。
2.根据权利要求1所述电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中溶液浓度为3wt％～5wt％。
3.一种电极，其特征在于，包括权利要求1或2制备得到的碳化复合材料粉末、乙炔黑及粘结剂，且碳化复合材料粉末、乙炔黑及粘结剂的质量比为75：15：10，适量的N-甲基-2-吡咯烷酮。
4.根据权利要求3所述电极，其特征在于，粘结剂为聚四氟乙烯。
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