CN108365197A - 一种纳米棒状硫化锌碳布电极、制备方法及其应用 - Google Patents

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陈建中
龙剑平
候志前
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Abstract

本发明公开了一种纳米棒状硫化锌碳布电极的制备方法，包括以下步骤：(1)、碳布预处理：将经清洗烘干后的碳布置于浓硝酸中，搅拌一段时间后，洗涤备用，其中浓硝酸中溶有适当的乙酸锌、硝酸锌或氯化锌；(2)、电极制备：将乙酸锌和硫代乙酰胺溶于去离子水中置于反应容器中，将碳布也放置其中进行反应，反应结束冷却后将碳布取出，清洗烘干得硫化锌碳布电极材料。本发明制备得到的电极材料应用时能够降低电池的充放电过电势，提升电池的放电容量，增强循环稳定性和倍率性能解决的问题。

Description

一种纳米棒状硫化锌碳布电极、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及电极制备领域，具体涉及一种纳米棒状硫化锌碳布电极、制备方法及其应用。
背景技术
传统的二次电池受限于能量密度不高，难以满足电动汽车的需要。锂空气电池具有与传统化石能源相当的能量密度，在电动汽车飞速发展的今天具有巨大的应用前景。锂空气电池凭借着超高的理论能量密度，其概念一经提出便受到了科研界的广泛关注，被认为是最具应用前景的新一代二次电池。锂空气电池的反应机制是Li2O2的生成和分解，活性物质为空气中的氧气，取之不尽用之不竭，因此具有环境友好、成本低廉的优势。由于电池反应是空气中的氧气与金属锂直接参与，其理论能量密度可达3600Wh/kg，封装后在实际应用时其能量密度有望能接近化石燃料燃烧所提供的能量密度，高达600Wh/kg左右。锂空气电池是由正极材料、金属锂负极、电解液构成，电池的电极反应发生的主要场所在电池的正极，因此正极材料对电池的性能有着很大的影响。目前锂空气电池存在的多种问题，比如电池的充放电过电势高，放电容量低，循环稳定性差等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米棒状硫化锌碳布电极的制备方法，该方法制备得到的电极材料应用时能够降低电池的充放电过电势，提升电池的放电容量，增强循环稳定性和倍率性能解决的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种纳米棒状硫化锌碳布电极的制备方法，包括以下步骤：
(1)、碳布预处理：将经清洗烘干后的碳布置于浓硝酸中，搅拌一段时间后，洗涤备用，其中浓硝酸中溶有适当的乙酸锌、硝酸锌或氯化锌；
(2)、电极制备：将乙酸锌和硫代乙酰胺溶于去离子水中置于反应容器中，将碳布也放置其中进行反应，反应结束冷却后将碳布取出，清洗烘干得硫化锌碳布电极材料。
每120ml浓硝酸溶解5～8g乙酸锌、硝酸锌或氯化锌。
乙酸锌和硫代乙酰胺的摩尔比为1:1～1.5。
电极制备过程中，反应温度为180℃。
电极制备过程中，反应时间为5～6小时。
经清洗烘干后的碳布处理具体为将碳布依次用去离子水和无水乙醇进行超声波清洗，清洗后真空烘干备用。
碳布预处理的搅拌为80℃磁力搅拌6～8小时。
如前所述的制备方法得到的纳米棒状硫化锌碳布电极。
如前所述的纳米棒状硫化锌碳布电极在锂空气电池的应用。
本发明的发明点在于：将碳布预处理的置于浓硝酸过程中加入了乙酸锌、硝酸锌或氯化锌，能够辅助水热自生长，为硫化锌分布在碳布上提供条件。制备过程中，硫化锌碳布电极采用自生长的方式，而免于使用粘接剂。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明将纳米棒状硫化锌材料生长在碳布纤维表面，形成纳米棒阵列，这种阵列能增大电极材料的比表面积，为放电产物提供更多的存储空间，增大电池的放电容量，为电极反应提供大量的活性位点，降低电池的充放电过电势，提高能量效率，相比传统电极结构，硫化锌碳布电极采用自生长的方式，能在未使用粘接剂的前提下，提升电池的循环稳定性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为硫化锌碳布电极的XRD图。
图2为硫化锌碳布电极的SEM图。
图3为硫化锌碳布电极和纯碳布电极的脱吸附曲线和孔径分布比较图；
图4为硫化锌碳布电极和纯碳布电极的首次放电容量曲线比较图；
图5为硫化锌碳布电极和纯碳布电极的充放电过电势比较图；
图6为硫化锌碳布电极的循环充放电曲线图；
图7为纯碳布电极的循环充放电曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
第一步，碳布预处理
将碳布用去离子水和无水乙醇依次超声清洗，反复三次，清洗后置于真空干燥箱中烘干备用，烘干后的碳布置于溶有5g乙酸锌的120ml浓硝酸中，用多功能水浴锅在80℃磁力搅拌6小时。最后去除用去离子水和无水乙醇洗净烘干备用。
第二步，电极制备
分别将1g乙酸锌和0.375g硫代乙酰胺溶于去离子水中，将两种溶液倒入100ml反应釜，将第一步所得碳布置于其中，拧紧反应釜，在烘箱中以180℃反应6小时。反应结束后待自然冷却，将碳布取出，用去离子水和无水乙醇清洗，烘干既得硫化锌碳布电极材料。
由实施例1制得的纳米棒状硫化锌材料生长在碳布纤维表面，形成纳米棒阵列(其XRD图如图1所示，其SEM图如图2所示)，这种阵列能增大电极材料的比表面积，如图3所示，为放电产物提供更多的存储空间，增大电池的放电容量)，为电极反应提供大量的活性位点(降低电池的充放电过电势，提高能量效率)，相比传统电极结构，硫化锌碳布电极采用自生长的方式，因此未使用粘接剂，提升电池的循环稳定性
实施例2
第一步，碳布预处理
将碳布用去离子水和无水乙醇依次超声清洗，反复三次，清洗后置于真空干燥箱中烘干备用，烘干后的碳布置于溶有8g氯化锌的120ml浓硝酸中，用多功能水浴锅在80℃磁力搅拌5小时。最后去除用去离子水和无水乙醇洗净烘干备用。
第二步，电极制备
分别将1g乙酸锌和0.375g硫代乙酰胺溶于去离子水中，将两种溶液倒入100ml反应釜，将第一步所得碳布置于其中，拧紧反应釜，在烘箱中以180℃反应6小时。反应结束后待自然冷却，将碳布取出，用去离子水和无水乙醇清洗，烘干既得硫化锌碳布电极材料。
本发明制备得到的硫化锌碳布电极和纯碳通过将硫化锌碳布电极用于锂空气电池正极材料并进行电池性能测试(对比电极为纯碳布电极，电极表面粘有等质量的SuperP)。如图4所示，硫化锌碳布电极的放电容量达到3750mAh/g，而纯碳布电极仅有1800mAh/g。充放电过电势比较：如图5所示，硫化锌碳布电极电池的充放电过电势为0.60V，纯碳布电极的充放电过电势为0.82V，降低了0.22V，因此提升了电池的能量效率。循环稳定性比较：如图6和图7所示，硫化锌碳布电极能稳定循环300圈，充放电过电势从0.37V增长到0.87V，而纯碳布电极电极能循环165圈，充放电过电势从0.74V增加到2.29V，因此硫化锌碳布电极显著提升了电池的循环性能。另外硫化锌碳布电极能用于柔性锂空气电池，电池在弯曲情况下能为LED灯正常供电
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种纳米棒状硫化锌碳布电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、碳布预处理：将经清洗烘干后的碳布置于浓硝酸中，搅拌一段时间后，洗涤备用，其中浓硝酸中溶有适当的乙酸锌、硝酸锌或氯化锌；
(2)、电极制备：将乙酸锌和硫代乙酰胺溶于去离子水中置于反应容器中，将碳布也放置其中进行反应，反应结束冷却后将碳布取出，清洗烘干得硫化锌碳布电极材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，每120ml浓硝酸溶解5～8g乙酸锌、硝酸锌或氯化锌。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，乙酸锌和硫代乙酰胺的摩尔比为1:1～1.5。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，电极制备过程中，反应温度为180℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，电极制备过程中，反应时间为5～6小时。
6.根据权利要求1所述的一种纳米棒状硫化锌碳布电极的制备方法，其特征在于，经清洗烘干后的碳布处理具体为将碳布依次用去离子水和无水乙醇进行超声波清洗，清洗后真空烘干备用。
7.根据权利要求1所述的一种纳米棒状硫化锌碳布电极的制备方法，其特征在于，碳布预处理的搅拌为80℃磁力搅拌6～8小时。
8.如权利要求1-7任一项所述的制备方法得到的纳米棒状硫化锌碳布电极。
9.如权利要求8所述的纳米棒状硫化锌碳布电极在锂空气电池的应用。
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