CN105789623B - 一种硒/碳复合电极材料的制备装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种硒/碳复合电极材料的制备装置及控制方法。通过设计亚硫酸钠与硒反应、硒代硫酸钠与乙醇反应及产物分离的制备装置，并通过控制亚硫酸钠与硒的摩尔比为1.05～3、亚硫酸钠溶液溶度12～25wt％、硒与碳材料的质量比5～25、乙醇与亚硫酸钠的摩尔比1.05～1.35、喷射压力2～15MPa，实现硒/碳复合电极材料颗粒尺寸小、硒/碳分布均匀；所制备的硒/碳复合电极材料具有很好的电化学性能。本发明专利在锂离子电池领域具有很好的应用前景。

Description

一种硒/碳复合电极材料的制备装置及控制方法
技术领域
本发明属于电化学电源领域，具体涉及一种硒/碳复合电极材料的制备装置及控制方法。
背景技术
随环境污染的日益恶化和人们环保意识的提高，储能电池越来越受到广泛关注。正极是储能电池的重要组成部分，要求材料电化学比容量高、导电性好，价格低廉等。与其它正极材料，尤其是同族硫正极相比，硒具有导电性高、活性物质利用率高、容量衰减小等优点，是非常有重要科研价值和应用潜力的正极材料。专利(一种锂硒电池Se-C正极复合材料的制备方法，201410848164.X)采用机械球磨与微波法结合，先机械混合硒、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。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)采用热熔融法，以大比表面的三维石墨烯-介孔碳复合材料为载体，熔融硒单质。通过高比表面积、高导电性的载体材料与硒单质熔融复合，提高了硒复合材料的导电性和电化学性能。但硒单质的熔点高(217℃)，采用熔融法制备硒复合材料能耗大。专利(锂硒电池正极材料及其制备方法以及锂硒电池，201410638938.6)以硒化氢气体和饱和的氧化石墨烯分散液为原料，通过氧化还原反应将单质硒原位生长、分散在石墨烯表面，再将石墨烯连接，组装成多孔宏观材料；该设计提高了锂硒电池的电化学性能。但硒化氢气体毒性强，混合空气易爆，在使用过程中存在安全隐患。
显然，以比表面积大、孔尺寸小、导电性好的碳材料负载硒颗粒，有效提高了单质硒的导电率和电化学性能.但采用热熔法制备硒/碳复合材料能耗大，而采用化学方法存在原料硒化氢毒性强、不安全等隐患。
发明内容
本发明目的在于提供一种硒/碳复合电极材料的制备装置及控制方法，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：一种硒/碳复合电极材料的制备装置，包括搅拌系统、喷射系统、分离系统和废弃物收集系统；其特征在于：搅拌系统包括2个固体加料管、搅拌器、固液混合槽和集热式加热器；固体加料管设有封盖、进料口，固体加料管四周设置10～50个直径介于0.01～0.1毫米的微孔；搅拌器设有动力装置、搅拌杆、叶片，搅拌杆外围设有保护套；搅拌器动力装置设在2个固体加料管之间，搅拌杆穿过固体加料管，再连接叶片；固液混合槽侧壁设有进液管和出液管，固液混合槽底部设有集热式加热器；出液管向下倾斜2～10°，出液管设有流量计，与喷射系统和分离系统相连；喷射系统包括乙醇储罐、乙醇出液管、流量计、高压罐、喷射阀和高压喷射管，乙醇出液管设有流量计，连接高压喷射管、出液管和分离系统；高压喷射管设有喷射阀，连接高压罐；分离系统包括分离漏斗、冷凝盖、出气管、保温套和过滤膜；出气管设在分离漏斗正上方，保温套设在分离漏斗四周，过滤膜设在分离漏斗底部，冷凝盖设在分离漏斗上部，并用法兰固定；冷凝盖连接进水管，并设有冷凝水喷头；废弃物收集系统包括废液收集槽和废气收集罐；废气管连接废气收集罐。废气收集罐外包冷凝水管；分离漏斗底部连接废液管，阀门和废液槽。
一种硒/碳复合电极材料制备装置的控制方法：硒材料和碳材料分别放入固体加料管，亚硫酸钠溶液通过进液管加入固液混合槽，集热式加热器120～200℃恒温加热5～40h；打开固体加料管封盖观察到固体消失；然后打开出液管流量计，输出硒代硫酸钠/碳材料悬浊液，打开乙醇出液管流量计控制流速，打开高压罐和喷射阀；乙醇液滴喷射入硒代硫酸钠/碳材料悬浊液表面反应生成硒/碳复合电极材料、亚硫酸钠和有机物溶液，并在分离漏斗处发生气-液-固分离，废气输入废气收集罐冷凝；硒/碳复合电极材料等固体分散在分离漏斗壁表面，废液经分离膜、废液管、阀门进入废液槽；出液管液体喷射结束后，打开冷凝盖进水管，洗涤硒/碳复合电极材料；其中，亚硫酸钠与硒的摩尔比为1.05～3；亚硫酸钠溶液溶度为12～25wt％；硒与碳材料的质量比为5～25；乙醇与亚硫酸钠的摩尔比为1.05～1.35；喷射压力2～15MPa。
本发明采用化学方法制备硒/碳复合材料，首先，亚硫酸钠溶液与硒单质反应生成硒代硫酸钠溶液并与碳材料混合；然后硒代硫酸钠溶液与乙醇混合反应生成硒/碳复合材料。本发明提供硒/碳复合电极材料的制备装置及控制方法，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)本发明采用化学方法，硒代硫酸钠溶液原子级别混合碳材料，有利于获得尺寸很小的硒/碳复合材料；
3)本发明将亚硫酸钠与硒反应、硒代硫酸钠与乙醇反应及产物分离结合在一起，有利于降低能耗，节约制备成本。
附图说明：
图1为硒/碳复合电极材料的制备装置结构示意图。
图中，
1、集热式加热器；2、固液混合槽；3、进液管；4、叶片；5、搅拌杆；6、固体加料管；7、微孔；8、保护套；9、封盖；10、进料口；11、搅拌器动力装置；12、乙醇储罐；13、乙醇出液管；14、流量计；15、喷射阀；16、高压罐；17、冷凝盖；18、进水管；19、废气管；20、废气收集罐；21、分离漏斗；22、保温套；23、废液槽；24、阀门；25、废液管；26、过滤膜；27、出液管。
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/碳复合电极材料的制备装置，包括搅拌系统、喷射系统、分离系统和废弃物收集系统；其特征在于：搅拌系统包括2个固体加料管、搅拌器、固液混合槽和集热式加热器；固体加料管设有封盖、进料口，固体加料管四周设置10～50个直径介于0.01～0.1毫米的微孔；搅拌器设有动力装置、搅拌杆、叶片，搅拌杆外围设有保护套；搅拌器动力装置设在2个固体加料管之间，搅拌杆穿过固体加料管，再连接叶片；固液混合槽侧壁设有进液管和出液管，固液混合槽底部设有集热式加热器；出液管向下倾斜2～10°，出液管设有流量计，与喷射系统和分离系统相连；喷射系统包括乙醇储罐、乙醇出液管、流量计、高压罐、喷射阀和高压喷射管，乙醇出液管设有流量计，连接高压喷射管、出液管和分离系统；高压喷射管设有喷射阀，连接高压罐；分离系统包括分离漏斗、冷凝盖、出气管、保温套和过滤膜；出气管设在分离漏斗正上方，保温套设在分离漏斗四周，过滤膜设在分离漏斗底部，冷凝盖设在分离漏斗上部，并用法兰固定；冷凝盖连接进水管，并设有冷凝水喷头；废弃物收集系统包括废液收集槽和废气收集罐；废气管连接废气收集罐。废气收集罐外包冷凝水管；分离漏斗底部连接废液管，阀门和废液槽。
一种硒/碳复合电极材料制备装置的控制方法：硒材料和碳材料分别放入固体加料管，亚硫酸钠溶液通过进液管加入固液混合槽，集热式加热器120～200℃恒温加热5～40h；打开固体加料管封盖观察到固体消失；然后打开出液管流量计，输出硒代硫酸钠/碳材料悬浊液，打开乙醇出液管流量计控制流速，打开高压罐和喷射阀；乙醇液滴喷射入硒代硫酸钠/碳材料悬浊液表面反应生成硒/碳复合电极材料、亚硫酸钠和有机物溶液，并在分离漏斗处发生气-液-固分离，废气输入废气收集罐冷凝；硒/碳复合电极材料等固体分散在分离漏斗壁表面，废液经分离膜、废液管、阀门进入废液槽；出液管液体喷射结束后，打开冷凝盖进水管，洗涤硒/碳复合电极材料；其中，亚硫酸钠与硒的摩尔比为2；亚硫酸钠溶液溶度为18wt％；硒与碳材料的质量比为9；乙醇与亚硫酸钠的摩尔比为1.2；喷射压力3MPa。
一种硒/碳复合电极材料，包括如下体系：
硒单质，质量分数90％；石墨，质量分数10wt％；
硒单质，质量分数90％；碳纳米管，质量分数10wt％；
硒单质，质量分数90％；炭黑，质量分数10wt％；
硒单质，质量分数90％；活性炭，质量分数10wt％；
采用本实施例制备的硒/碳复合电极材料颗粒细小、硒/碳分布均匀，用于锂电池正极，具有很好的电化学性能。
实施例2
同实施例1操作，亚硫酸钠与硒的摩尔比为2.5；亚硫酸钠溶液溶度为12wt％；硒与碳材料的质量比为4∶1；乙醇与亚硫酸钠的摩尔比为1.3；喷射压力6MPa。
一种硒/碳复合电极材料，包括如下体系：
硒单质，质量分数80％；碳纤维，质量分数20wt％；
硒单质，质量分数80％；碳/碳复合材料，质量分数20wt％；
硒单质，质量分数80％；空心碳球，质量分数20wt％；
硒单质，质量分数80％；有序介孔碳，质量分数20wt％；
采用本实施例制备的硒/碳复合电极材料颗粒细小、硒/碳分布均匀，用于锂电池正极，具有很好的电化学性能。
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 (2)

1.一种硒/碳复合电极材料的制备装置，包括搅拌系统、喷射系统、分离系统和废弃物收集系统；其特征在于：搅拌系统包括2个固体加料管、搅拌器、固液混合槽和集热式加热器；固体加料管设有封盖、进料口，固体加料管四周设置10～50个直径介于0.01～0.1毫米的微孔；搅拌器设有动力装置、搅拌杆、叶片，搅拌杆外围设有保护套；搅拌器动力装置设在2个固体加料管之间，搅拌杆穿过固体加料管，再连接叶片；固液混合槽侧壁设有进液管和出液管，固液混合槽底部设有集热式加热器；出液管向下倾斜2～10°，出液管设有流量计，与喷射系统和分离系统相连；喷射系统包括乙醇储罐、乙醇出液管、流量计、高压罐、喷射阀和高压喷射管，乙醇出液管设有流量计，连接高压喷射管、出液管和分离系统；高压喷射管设有喷射阀，连接高压罐；分离系统包括分离漏斗、冷凝盖、出气管、保温套和过滤膜；出气管设在分离漏斗正上方，保温套设在分离漏斗四周，过滤膜设在分离漏斗底部，冷凝盖设在分离漏斗上部，并用法兰固定；冷凝盖连接进水管，并设有冷凝水喷头；废弃物收集系统包括废液收集槽和废气收集罐；废气管连接废气收集罐；废气收集罐外包冷凝水管；分离漏斗底部连接废液管，阀门和废液槽。
2.一种硒/碳复合电极材料制备装置的控制方法，其特征在于：硒材料和碳材料分别放入固体加料管，亚硫酸钠溶液通过进液管加入固液混合槽，集热式加热器120～200℃恒温加热5～40h；打开固体加料管封盖观察到固体消失；然后打开出液管流量计，输出硒代硫酸钠/碳材料悬浊液，打开乙醇出液管流量计控制流速，打开高压罐和喷射阀；乙醇液滴喷射入硒代硫酸钠/碳材料悬浊液表面反应生成硒/碳复合电极材料、亚硫酸钠和有机物溶液，并在分离漏斗处发生气-液-固分离，废气输入废气收集罐冷凝；硒/碳复合电极材料等固体分散在分离漏斗壁表面，废液经分离膜、废液管、阀门进入废液槽；出液管液体喷射结束后，打开冷凝盖进水管，洗涤硒/碳复合电极材料；其中，亚硫酸钠与硒的摩尔比为1.05～3；亚硫酸钠溶液溶度为12～25wt％；乙醇与亚硫酸钠的摩尔比为1.05～1.35；喷射压力2～15MPa。
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