CN108428860A - 一种可加工成型的金属钠负极的制备方法 - Google Patents

一种可加工成型的金属钠负极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可加工成型金属钠负极的制备方法。通过超声分散得到氧化石墨烯分散液，制备得到氧化石墨烯薄膜；或对氧化石墨烯分散液进行水热反应，得到一维还原氧化石墨烯纤维或者三维还原氧化石墨烯宏观体；将氧化石墨烯膜进行干燥，或将一维还原氧化石墨烯纤维或者三维还原氧化石墨烯宏观体进行干燥；将金属钠在惰性气氛中利用加热设备进行热处理，对干燥后的氧化石墨烯膜、一维还原氧化石墨烯纤维或者三维还原氧化石墨烯宏观体进行定形，与熔融金属钠接触，得到可加工成型的复合金属钠负极。具有更好的化学稳定性以及电化学稳定性，为以金属钠为基础的能源存储体提供标准参比电极，以及提高金属钠电池的库伦效率以及循环稳定性。

Description

一种可加工成型的金属钠负极的制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属钠负极，具体涉及一种以金属钠为负极的金属钠电池技术领域。
背景技术
能源的利用是人类面临的重大挑战。电池的出现为便携式能力存储设备的普及提供了有力保障。自上世纪90年代，锂离子电池的出现为电子设备、智能电网以及电动汽车的出现和发展做出了重大贡献。随着其广泛应用，金属锂储量在急剧消耗。金属钠的储量要远远大于金属锂，所以以金属钠为基础的能源存储体系引起了科研人员极大的关注。钠和锂有着相似的化学性质，目前钠离子电池、钠-空气电池、钠-硫电池以及钠-二氧化碳电池都取得了一定的发展。但是，钠离子电池的发展却远远落后于锂离子电池。(Nat.Mater.2012,11,512.)由于金属钠更加活泼，导致其更容易与电解液以及正极材料反应，造成库伦效率低、循环性能差。(Chem.Rev.2014,114,11503.)此外，电化学研究当中，三电极体系是用来研究和表征电化学行为的有力工具。不同于离子电池以金属锂、Li1-XFePO4或者锂化石墨为参比电极，以金属钠为基础的能源存储体系缺少标准的参比体系：首先，目前没有正负极材料能够在高的库伦效率下进行钠离子的嵌入/脱出；其次，金属钠较金属锂更加活泼；最关键的是，金属钠原子之间的金属键能很低，造成金属钠质软，容易粘附其它物质，不易成型，储存以及运输。(Solid State Phys.1964,16,275.)故此，发展一种可以加工成型且稳定的金属钠负极尤为重要。为了解决金属钠负极存在的上述缺点，本发明提出一种金属钠负极的制备方法，解决金属钠加工、存储、运输以及应用中的难题。该方法将金属钠与还原氧化石墨烯复合，得到尺寸可调的一维、二维以及三维的复合金属钠负极，且该金属钠负极具有优异的化学稳定性以及电化学稳定性。用作钠离子电池和钠-空气电池的负极，表现出优异的倍率性能和循环稳定性。
发明内容
本发明的目的是，通过制备，获得一种可以加工成型的金属钠负极，且使该金属钠负极具有更加的化学稳定性以及电化学稳定性，为以金属钠为基础的能源存储体提供标准参比电极，以及提高金属钠电池的库伦效率以及循环稳定性。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
1)通过超声分散得到氧化石墨烯分散液，其浓度为0.1～10mg/ml
2)对氧化石墨烯分散液进行加工，制备得到氧化石墨烯薄膜，其厚度为1μm～200μm；或对氧化石墨烯分散液进行水热反应，得到一维还原氧化石墨烯纤维或者三维还原氧化石墨烯宏观体；
3)将氧化石墨烯膜进行干燥，干燥温度为30℃～300℃，干燥时间为1h～72h；或将一维还原氧化石墨烯纤维或者三维还原氧化石墨烯宏观体进行干燥，干燥时间为24～96h；
4)将金属钠在惰性气氛中利用加热设备进行热处理，其升温速率为1～50℃/min，最终温度为100～500℃；
5)对干燥后的氧化石墨烯膜、一维还原氧化石墨烯纤维或者三维还原氧化石墨烯宏观体进行定形，与熔融金属钠接触，且时间为1～120s，得到可加工成型的复合金属钠负极。
进一步，所述的氧化石墨烯制备方法可以是经典的Hummer’s法，也可以是其它方法。
进一步，所述的氧化石墨烯膜可以通过真空抽滤方式，也可以通过挥发溶剂方式或者自发成膜方式得到。要求该膜具有较好的均一性和强度。
进一步，所述的一维还原氧化石墨烯纤维或者三维还原氧化石墨烯宏观体通过挥发溶剂水热反应方式得到。要求结构具有较好的稳定性。
进一步，一维还原氧化石墨烯纤维或者三维还原氧化石墨烯宏观体的水热制备过程，所需的温度为100℃-250℃，时间为6h～96h。
进一步，所述的氧化石墨烯分散液可以分散在水、乙醇、乙二醇、丙三醇、N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺中的一种或者多种的组合。
进一步，所述的氧化石墨烯分散液的浓度可以是0.1mg/ml～10mg/ml。
进一步，所述的对氧化石墨烯膜进行干燥时，其干燥方式可以是鼓风干燥或者真空干燥。
进一步，一维还原氧化石墨烯纤维或者三维还原氧化石墨烯宏观体进行燥方法为冷冻干燥，冷冻干燥条件为-60～-40℃、-0.1～-0.09MPa。
进一步，所述的惰性气体氛围一般指氩气氛围。水含量低于2ppm，氧含量低于2ppm。
进一步，所述的制备得到的金属钠复合负极的维度可以是一维、二维或者三维，一维的长度可以从1mm～100cm，二维的长宽可以是0.5cm～50cm，厚度可以为1μm～1mm。三维的长、宽、高可以为1mm～100cm。
进一步，所述的可加工成型的复合金属钠负极，可直接用于金属钠全电池的组装；或对可加工成型的复合金属钠负极进行加工定形后用于金属钠全电池的组装。
利用该方法将金属钠与还原氧化石墨烯复合，得到可加工成型的复合金属钠负极。具有更好的化学稳定性以及电化学稳定性，为以金属钠为基础的能源存储体提供标准参比电极，以及提高金属钠电池的库伦效率以及循环稳定性。
附图说明
图1为实施例1制备的复合金属钠负极的实物照片。
图2为实施例1制备的复合金属钠负极的XRD表征数据。
图3为实施例1制备的复合金属钠负极用于Na-Na3V2(PO4)3全电池性能对比。
图4为实施例1制备的复合金属钠负极用于Na-O2全电池性能对比。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
实施例1
1)通过Hummer’s法制备得到2mg/ml氧化石墨烯水溶液分散液，利用真空抽滤方式得到氧化石墨烯薄膜，其厚度为1μm；
2)将氧化石墨烯膜进行干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为12h；
3)将金属钠在惰性气氛中利用加热设备进行热处理，其升温速率为1℃/min，最终
温度为400℃；
4)对干燥后的氧化石墨烯膜进行定形后，利用热还原，且还原后的氧化石墨烯与熔
融金属钠接触时间为10s，得到复合金属钠负极。其光学照片如图1所示；其XRD
表征如图2所示，证明金属钠和碳成功复合。
5)将该复合金属钠负极直接用于Na-Na3V2(PO4)3离子全电池的组装。
6)将组装好的电池，在蓝电测试仪上进行不同电流密度下的充放电测试，考察Na-Na3VPO4全电池的充放电比容量以及循环稳定性。可见，利用复合金属钠负极组装的Na-Na3V2(PO4)3在1C和2C倍率下均能稳定循环25圈，容量保持在50mAh/g以上,而普通钠负极组装的Na-Na3V2(PO4)3电池循环15圈后比容量急剧降低，如图3所示
实施例2
1)通过Hummer’s法制备得到2mg/ml氧化石墨烯乙醇-水混合分散液，利用自发成膜方式得到氧化石墨烯薄膜，其厚度为100μm；
2)将氧化石墨烯膜进行干燥，干燥温度为300℃，干燥时间为72h；
3)将金属钠在惰性气氛中利用加热设备进行热处理，其升温速率为50℃/min，最
终温度为500℃；
4)对干燥后的氧化石墨烯膜进行定形后，使其与熔融金属钠接触瞬间被热还原；且
还原后的氧化石墨烯与熔融金属钠接触时间为120s，得到复合金属钠负极。
5)将该复合金属钠负极直接用于Na-O2全电池的组装。
6)将组装好的电池，在蓝电测试仪上进行不同电流密度下的充放电测试，考察Na-O2
全电池的充放电比容量以及循环稳定性。可见，利用复合金属钠负极(Na@r-GO)组
装得到的Na-O2电池可以稳定循环20圈，而普通金属钠组装得到的Na-O2电池循环10圈后容量急剧衰减。
实施例3
1)通过Hummer’s法制备得到2mg/ml氧化石墨烯乙醇-水混合分散液，利用抽滤方式得到氧化石墨烯薄膜，其厚度为200μm；
2)将氧化石墨烯膜进行干燥，干燥温度为150℃，干燥时间为36h；
3)将金属钠在惰性气氛中利用加热设备进行热处理，其升温速率为25℃/min，最
终温度为250℃；
4)对干燥后的还原氧化石墨烯膜进行定形后，使其与熔融金属钠接触瞬间被热还原；
且还原后的氧化石墨烯与熔融金属钠接触时间为60s，得到复合金属钠负极。
实施例4
1)通过Hummer’s法制备得到5mg/ml氧化石墨烯水溶液分散液，通过对氧化石墨烯分散液进行180℃水热反应96h，制备得一维还原氧化石墨烯纤维，其长度为10cm；
2)将还原氧化石墨烯纤维在冷冻干燥机中进行干燥，干燥条件为-60℃、0.09MPa，干燥时间为48h；
3)将金属钠在惰性气氛中利用加热设备进行热处理，其升温速率为25℃/min，最
终温度为200℃；
4)对干冷冻燥后的一维还原氧化石墨烯纤维与熔融金属钠接触时间为60s，得到一
维复合金属钠负极。
实施例5
1)通过Hummer’s法制备得到10mg/ml氧化石墨烯水溶液分散液，通过对氧化石墨烯分散液进行250℃水热反应6h，制备得一维还原氧化石墨烯纤维，其长度为100cm；
2)将还原氧化石墨烯纤维在冷冻干燥机中进行干燥，干燥条件为-60℃、0.09MPa，干燥时间为48h；
3)将金属钠在惰性气氛中利用加热设备进行热处理，其升温速率为50℃/min，最
终温度为500℃；
4)对干冷冻燥后的一维还原氧化石墨烯纤维与熔融金属钠接触时间为120s，得到
一维复合金属钠负极。
实施例6
1)通过Hummer’s法制备得到1mg/ml氧化石墨烯水溶液分散液，通过对氧化石墨烯分散液进行100℃水热反应96h，制备得一维还原氧化石墨烯纤维，其长度为1cm；
2)将还原氧化石墨烯纤维在冷冻干燥机中进行干燥，干燥条件为-60℃、0.09MPa，干燥时间为48h；
3)将金属钠在惰性气氛中利用加热设备进行热处理，其升温速率为1℃/min，最终
温度为100℃；
4)对干冷冻燥后的一维还原氧化石墨烯纤维与熔融金属钠接触时间为1s，得到一
维复合金属钠负极。
实施例7
1)通过Hummer’s法制备得到1mg/ml氧化石墨烯水溶液分散液，通过对氧化石墨烯分散液进行180℃水热反应48h，制备得到三维还原氧化石墨烯宏观体，其直径为2cm，厚度为5cm；
2)将三维还原氧化石墨烯宏观体进行冷冻干燥，干燥条件为-40℃、0.1MPa，干燥时间为96h；
3)将金属钠在惰性气氛中利用加热设备进行热处理，其升温速率为10℃/min，最终温度为350℃；
4)将三维还原氧化石墨烯宏观体与熔融金属钠接触时间为10s，得到三维复合金属钠负极。
实施例8
1)通过Hummer’s法制备得到5mg/ml氧化石墨烯水溶液分散液，通过对氧化石墨烯分散液进行100℃水热反应96h，制备得到三维还原氧化石墨烯宏观体，其直径为100mm，厚度为50mm；
2)将三维还原氧化石墨烯宏观体进行冷冻干燥，干燥条件为-40℃、0.1MPa，干燥时间为96h；
3)将金属钠在惰性气氛中利用加热设备进行热处理，其升温速率为25℃/min，最
终温度为500℃；
4)将三维还原氧化石墨烯宏观体与熔融金属钠接触时间为60s，得到三维复合金属
钠负极。
实施例9
1)通过Hummer’s法制备得到10mg/ml氧化石墨烯水溶液分散液，通过对氧化石墨烯分散液进行250℃水热反应6h，制备得到三维还原氧化石墨烯宏观体，其直径为150mm，厚度为100mm；
2)将三维还原氧化石墨烯宏观体进行冷冻干燥，干燥条件为-60℃、0.1MPa，干燥时间为60h；
3)将金属钠在惰性气氛中利用加热设备进行热处理，其升温速率为1℃/min，最终
温度为100℃；
4)将三维还原氧化石墨烯宏观体与熔融金属钠接触时间为120s，得到三维复合金
属钠负极。
本发明提供一种可加工成型的金属钠负极的制备方法。本发明通过将金属钠与还原氧化石墨烯复合，通过调控氧化石墨烯，可以得到厚度、尺寸、形状、维度可控的复合金属钠负极。该可加工成型的复合金属钠负极具有更好的化学稳定性以及电化学稳定性，为以金属钠为基础的能源存储体提供标准参比电极，以及提高金属钠电池的库伦效率以及循环稳定性。

Claims (10)

1.一种可加工成型的金属钠负极的制备方法；其特征是包括如下步骤：
1)通过超声分散得到氧化石墨烯分散液，其浓度为0.1～10mg/ml；
2)对氧化石墨烯分散液进行加工，制备得到氧化石墨烯薄膜，其厚度为1μm～200μm；或对氧化石墨烯分散液进行水热反应，得到一维氧化石墨烯纤维或者三维氧化石墨烯宏观体；
3)将氧化石墨烯膜进行干燥，干燥温度为30℃～300℃，干燥时间为1h～72h；或将一维还原氧化石墨烯纤维或者三维还原氧化石墨烯进行干燥，干燥时间为24～96h；
4)将金属钠在惰性气氛中利用加热设备进行热处理，其升温速率为1～50℃/min，最终温度为100～500℃；
5)对干燥后的还原氧化石墨烯膜、一维还原氧化石墨烯纤维或者三维还原氧化石墨烯进行定形，与熔融金属钠接触，且时间为1～120s，得到可加工成型的复合金属钠负极。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的氧化石墨烯制备方法是经典的Hummer’s法，或是其它方法。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的氧化石墨烯膜通过真空抽滤方式，或通过挥发溶剂方式或者自发成膜方式得到。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：一维还原氧化石墨烯纤维或者三维还原氧化石墨烯宏观体的水热制备过程，所需的温度为100℃-250℃，时间为6h～96h。
5.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的氧化石墨烯分散液为水、乙醇、乙二醇、丙三醇、N-甲基吡咯烷酮或N，N-二甲基甲酰胺中的一种或者多种的组合。
6.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的对氧化石墨烯膜进行干燥时，其干燥方式是鼓风干燥或者真空干燥。
7.如权利要求1所述的方法，其特征是一维还原氧化石墨烯纤维或者三维还原氧化石墨烯进行干燥方法为冷冻干燥，冷冻干燥条件为-60～-40℃、-0.1～-0.09MPa。
8.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的惰性气体氛围指氩气氛围，水含量低于2ppm，氧含量低于2ppm。
9.如权利要求8所述的方法，其特征是一维的长度从1mm～100cm；二维的长宽是0.5cm～50cm，厚度为1μm～1mm；三维的长、宽、高为1mm～100cm。
10.如权利要求1所述的方法，其特征是可加工成型的复合金属钠负极，直接用于金属钠全电池的组装；或对可加工成型的复合金属钠负极进行加工定形后用于金属钠全电池的组装。
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