CN106207098A - 一种无粘结剂NiO/Ni钠离子电池负极的制备方法 - Google Patents

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唐俊
康桃
杨学林
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Abstract

本发明提供一种无粘结剂NiO/Ni钠离子电池负极的制备方法，具体是将泡沫镍裁剪成4×3.5cm，用盐酸浸泡去除氧化层，之后再用氨水浸泡处理。取若干块处理好的泡沫镍放入容器中，添加去离子水至容器体积的50%，之后持续通气在70~90℃的水浴锅中反应8~16 h，待反应后的泡沫镍冷却至室温后，用适量无水乙醇超声30~60秒洗涤，之后在60℃鼓风烘箱中烘干。将干燥的泡沫镍放在空气或氮气的气氛下250~350℃烧结5~12 h，冷却至室温即得到NiO/Ni样品。本发明将该材料应用于钠离子电池负极上，显示出较好的电化学性能，作为钠离子电池负极材料具有很好地研究前景。

Description

一种无粘结剂NiO/Ni钠离子电池负极的制备方法
技术领域
本发明涉及一类无粘结剂高性能的钠离子电池负极材料，特别涉及一种无粘结剂NiO/Ni钠离子电池负极的制备方法，属于电化学电源领域。
背景技术
近年来，随着电子设备、电动工具、电动汽车等迅猛发展，研究出高性能、对环境友好、资源丰富的储能材料是人类社会实现可持续发展的必要条件。为了满足规模庞大的市场需求，仅以能量密度、充/放电倍率等性能来衡量电池材料是远远不够的。电池的成本和对环境的影响及其回收利用率也将成为衡量电池材料的重要指标。目前，锂离子电池是发展最为成功的高性能电池体系。随着数码产品以及汽车行业的迅猛发展，对锂离子电池的依赖加剧，有限的锂资源必将面临短缺问题。因此寻找锂离子电池的替代物是目前的研究热点。钠与锂是同一主族的元素，有着相似的物理化学性质，且钠离子电池有着与锂离子电池类似的工作原理。且钠离子电池与锂离子电池相比，有着三个突出的优势：（1）钠元素资源丰富，分布广泛，提取简单，有着天然的价格优势；（2）钠离子电池半电池较锂离子电池高0.3~0.4 V，能利用分解电势更低的电解质溶剂及电解质盐，电解质的选择范围更宽；（3）钠离子电池有着相对稳定的电化学性能，使用更加安全。基于此，钠离子电池的研究开发在一定程度上是可以缓解锂资源不足导致的电池发展受限的问题。目前阻碍钠离子电池实用化的主要问题是没有性能优良、安全稳定的电极材料，一旦研究成功，钠离子电池必将拥有比锂离子电池更大的市场竞争优势。
NiO 作为一种过渡金属氧化物，具有储量丰富、生产简单、价格低廉的优点，目前在蓄电池和电子元件方面已经得到了广泛的应用。NiO具有较高的理论容量，在电极材料方面具有潜在的应用前景。但是NiO的导电性较差，在循环过程中初始形貌和结构遭到破坏，导致其循环性能和倍率性能也较差，严重地阻碍了NiO的应用。泡沫镍具有三维多孔结构，具有良好的导电性及结构稳定性，以三维多孔的泡沫镍作为导电基质，在其上通过化学腐蚀的方法原位生长NiO，不仅可以改善导电性，还有利于NiO与电解质的充分接触。其所具有的三维多孔结构，可以有效地缓冲NiO在循环过程中带来的体积变化，增强了结构稳定性，从而改善了NiO的电化学性能。本专利发明了一种通过化学腐蚀在泡沫镍上原位生长NiO的方法，以其作为钠离子电池负极显示出良好的循环性能。
发明内容
本专利涉及一种钠离子电池负极的制备方法，该负极材料为NiO/Ni，在泡沫镍上通过原位生长的方式制备出NiO，所制备的NiO/Ni无需粘结剂可直接用作钠离子电池负极，显示出了优异的电化学性能。
所述的NiO/Ni的具体制备步骤是将泡沫镍裁剪成4×3.5cm，用5%~15%浓度的盐酸浸泡12 h，之后用去离子水清洗干净，再用10%~15%浓度的氨水浸泡4~12 h，之后取4~10块处理好的泡沫镍放入容器内，添加去离子水至容器体积的50%，以20~40ml/min 的气体流速持续通气，在70~90℃的水浴锅中反应8~16 h，之后待冷却至室温后，将泡沫镍取出，用20ml无水乙醇超声清洗30~60秒，之后在60℃的鼓风烘箱中烘干，将干燥后的泡沫镍放置管式炉中，于空气或者氮气气氛下烧结250~350℃烧结5~12 h，自然冷却后即获得NiO/Ni样品。
本专利所涉及的NiO/Ni钠离子电池负极及其制备方法具有以下几个显著的特点：
（1）制备方式简单可控，原材料丰富，可大规模制备；
（2）所制备的NiO/Ni中，NiO均匀地原位生长在泡沫镍上，与泡沫镍接触良好；
（3）所制备的NiO/Ni中，NiO呈均匀的纳米片；
（4）所制备的NiO/Ni无需粘结剂，可直接用作钠离子电池负极。
附图说明
图1实施例1所制备样品的XRD图谱。
图2实施例1所制备样品的SEM图。
图3实施例1所制备样品的前三次充放电曲线图（a）和循环性能图（b）。
图4实施例2所制备样品的前三次充放电曲线图（a）和循环性能图（b）。
图5实施例3所制备样品的前三次充放电曲线图（a）和循环性能图（b）。
具体实施方式
实施例 1
将泡沫镍裁剪成4×3.5cm，用10%浓度的盐酸浸泡12 h，之后用去离子水清洗干净，再用15%浓度的氨水浸泡8 h，之后取4块处理好的泡沫镍放入广口瓶内，添加去离子水至广口瓶体积的50%，以30ml/min 的气体流速持续通气，在80℃的水浴锅中反应12 h，之后待冷却至室温后，将泡沫镍取出，用20ml无水乙醇超声清洗60秒，之后在60℃的鼓风烘箱中烘干，将干燥后的泡沫镍放置管式炉中，于空气气氛下烧结250℃烧结6 h，自然冷却后即获得NiO/Ni样品。所制备的样品经XRD图谱分析，如图1所示，所有的衍射峰和NiO（✩号，XRD卡片JCPDS，NO. 73-1519）及Ni（●号，XRD卡片JCPDS，NO. 87-0712）对应，表明成功地制备了NiO/Ni复合结构。对样品进行了SEM表征，由图2可以看出，NiO均匀地生长在泡沫镍表面，呈纳米片状结构。将上述步骤得到的NiO/Ni负极材料裁剪成14mm的圆片，在120℃下真空干燥12h。以金属钠片为对电极，Grade GF/D为隔膜，溶解有NaPF6 (1mol/L) 的EC +DEC(体积比为1:1)的溶液为电解液，在氩气保护的手套箱中组装成CR2025型电池。电池组装完后静置8h，再用CT2001A电池测试系统进行恒流充、放电测试，测试电压为0.02~3V。图 3 表明，实施例 1 所制备的NiO/Ni电极首次充、放电容量分别为551.4和 1066.4 mAh/g，60次循环之后充、放电容量分别为230.0和233.2 mAh/g，显示了较好的电化学性能。
实施例 2
将泡沫镍裁剪成4×3.5cm，用10%浓度的盐酸浸泡12 h，之后用去离子水清洗干净，再用15%浓度的氨水浸泡8 h，之后取4块处理好的泡沫镍放入广口瓶内，添加去离子水至广口瓶体积的50%，以30ml/min 的气体流速持续通气，在80℃的水浴锅中反应12 h，之后待冷却至室温后，将泡沫镍取出，用20ml无水乙醇超声清洗60秒，之后在60℃的鼓风烘箱中烘干，将干燥后的泡沫镍放置管式炉中，于空气气氛下烧结300℃烧结6 h，自然冷却后即获得NiO/Ni样品。按照实施例1的方式组装测试电池。图 4 表明，实施例 2 所制备的NiO/Ni电极首次充、放电容量分别为192.6和 521.3 mAh/g，60次循环之后充、放电容量分别为244.7和253.6 mAh/g，显示了较好的电化学性能。
实施例 3
将泡沫镍裁剪成4×3.5cm，用10%浓度的盐酸浸泡12 h，之后用去离子水清洗干净，再用15%浓度的氨水浸泡8 h，之后取4块处理好的泡沫镍放入广口瓶内，添加去离子水至广口瓶体积的50%，以30ml/min 的气体流速持续通气，在80℃的水浴锅中反应12 h，之后待冷却至室温后，将泡沫镍取出，用20ml无水乙醇超声清洗60秒，之后在60℃的鼓风烘箱中烘干，将干燥后的泡沫镍放置管式炉中，于空气气氛下烧结350℃烧结6 h，自然冷却后即获得NiO/Ni样品。按照实施例1的方式组装测试电池。图 5 表明，实施例 3 所制备的NiO/Ni电极首次充、放电容量分别为308.1和 697.6 mAh/g，60次循环之后充、放电容量分别为289.9和295.2 mAh/g，显示了较好的电化学性能。

Claims (2)

1.一种无粘结剂NiO/Ni钠离子电池负极的制备方法，其特征在于，该NiO/Ni负极的制备工艺如下：
(1)将泡沫镍裁剪成4×3.5cm，用5%~15%浓度的盐酸浸泡12 h，之后用去离子水清洗干净，再用10%~15%浓度的氨水浸泡4~12 h，之后取4~10块处理好的泡沫镍放入容器内；
(2)在步骤（1）中准备好泡沫镍的容器中添加去离子水至其体积的50%，以20~40ml/min的气体流速持续通气，在70~90℃的水浴锅中反应8~16 h；
(3)待步骤（2）反应完冷却至室温后，将泡沫镍取出，用适量无水乙醇超声清洗30~60秒，之后在60℃的鼓风烘箱中烘干；
(4)将步骤（3）干燥后的泡沫镍放置管式炉中，于空气或者氮气气氛下烧结250~350℃烧结5~12 h，自然冷却后即获得NiO/Ni样品。
2.根据权利要求1中所述的无粘结剂NiO/Ni钠离子电池负极的制备方法，其特征在于，通入的气体为空气或氧气。
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