一種空心球硫化鎳正極材料的製備方法及應用與流程
2023-05-09 02:36:07
本發明涉及功能材料領域，特別涉及一種空心球硫化鎳正極材料的製備方法及應用。
背景技術：
近年來，隨著電子設備、電動工具、小功率電動汽車等迅猛發展，能源的儲存和轉換已成為制約世界經濟可持續發展的重要因素。在各種技術中，鋰離子電池由於具有工作電壓高、容量高、自放電小和循環壽命長等優點，成為了發展前景最為明朗的高能電池體系，但隨著電動汽車、智能電網時代的到來，目前現有的鋰資源將無法滿足動力鋰離子電池的巨大需求，因此亟需開發價格低廉，並可替代鋰離子電池的相關技術。
鈉離子電池的研究在一定程度上能夠有效緩解因鋰資源短缺而引發的鋰離子電池發展受限的問題。鈉資源豐富，開發成本低，在地球中的存儲量比鋰要高4-5個數量級；且鈉離子電池的半電池電勢較鋰離子電勢高0.3～0.4V，電解質的選擇範圍更寬；鈉電池有相對穩定的電化學性能，使用更加安全；並且鈉與鋰具有相似的嵌入和脫出機理，使得兩個體系可以使用相同的電極材料。
但鈉離子電池也存在一定的問題，比如：鈉離子半徑比鋰離子半徑大70％，使得鈉離子在電池材料中的嵌入與脫出更難，導致可逆容量和倍率性能降低。作為鈉離子電池重要的一部分，正極材料的性能嚴重製約著鈉離子電池的性能。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於：本發明將硫化鎳作為鈉離子電池的正極材料，但是硫化鎳電極材料初始容量較低，在充放電過程中會遇到體積膨脹的問題，導致循環效果不好，
對此，本發明提供了一種空心球硫化鎳正極材料的製備方法：
(1)配製Na2S的乙二醇溶液，
其濃度為1～2mM，
(2)配製NiCl2·6H2O的乙二醇溶液，
其濃度為0.5～1mM，
(3)將葡萄糖溶解在蒸餾水中得到葡萄糖溶液，
具體為：將0.2～0.6g葡萄糖溶解在1～5ml的蒸餾水中，
(4)將步驟(3)得到的葡萄糖溶液與步驟(2)得到的NiCl2·6H2O的乙二醇溶液混合均勻，
(5)將步驟(1)得到的Na2S的乙二醇溶液滴加到步驟(4)得到的混合溶液中，攪拌均勻，並於120℃～200℃下水熱反應4～12小時，
(6)將步驟(6)反應後的體系離心，濾餅經過洗滌、烘乾後於500℃下燒結2h，得到空心球硫化鎳正極材料，
其中，離心操作時控制離心機轉速為8000rpm/min，
濾餅用蒸餾水洗滌3次，乙醇洗滌2次後在60℃下烘乾24h。
本發明還提供了一種上述空心球硫化鎳正極材料在鈉離子電池中的應用：以空心球硫化鎳和碳材料複合作為正極材料，以鈉片為負極材料，電解液為1mol/L的Na[N(SO2F)2]溶液，溶劑為將碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯按照體積比4：6混合而成的混合液。
本發明的有益效果在於：通過上述方法得到的空心球硫化鎳材料，有效地提高了材料的比表面積，相應的電池初始充放電容量都會有所提升；同時這種空心球結構能夠有效解決電池循環中材料體積膨脹的問題，改善電池的循環性能。以本發明的空心球硫化鎳為正極材料組裝成的鈉離子電池，具有初始充放電容量高和電池循環穩定性好的特點。
附圖說明
圖1實施例1所製備的空心球硫化鎳的透射電鏡圖片；
圖2實施例1中，以空心球硫化鎳為正極材料的鈉離子電池的充放電循環曲線。
具體實施方式
實施例1
(1)配製1.5mM的Na2S的乙二醇溶液；
(2)配製1mM的NiCl2·6H2O的乙二醇溶液；
(3)將0.3g葡萄糖溶解在2ml的蒸餾水中，得到葡萄糖溶液
(4)將步驟(3)得到的葡萄糖溶液與45ml步驟(2)得到的NiCl2·6H2O的乙二醇溶液混合均勻，
(5)將30ml步驟(1)得到的Na2S的乙二醇溶液緩慢滴加到步驟(4)得到的混合溶液中，劇烈攪拌10分鐘混合均勻，並於180℃下水熱反應8小時，
(6)將步驟(6)反應後的體系離心，濾餅用蒸餾水洗滌3次、乙醇洗滌2次後在60℃下烘乾24h，再於500℃下燒結2h，得到空心球硫化鎳正極材料，透射電鏡圖片如附圖1所示，
其中，離心操作時控制離心機轉速為8000rpm/min。
將本實施例中製備的空心球硫化鎳、乙炔黑和PTFE按照7：2：1的質量比混合，滴加二甲基甲醯胺充分攪拌混勻，然後擀片、衝片，置於100℃真空條件下乾燥24h，製備得到的正極極片的直徑為8mm，
以上述製備的極片為正極、金屬鈉為負極、電解液為1mol/L Na[N(SO2F)2]溶液(溶劑為碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯按照體積比4：6混合而成的混合液)，在氬氣保護的手套箱中組裝成電池。
對上述組裝完畢的電池在室溫(25℃)條件下進行充放電研究，充放電電壓範圍為0.05V～3.0V：在100mA/g的電流密度下，電池的初始放電容量為301mAh/g，循環60周後，其放電容量仍能保持在252mAh/g，具體如附圖2所示。根據實驗結果，採用本發明的方法製備的空心球硫化鎳正極，電池的循環性能得到了相當大的提高。
對比實施例1
在實施例1的基礎上，不加入任何的葡萄糖，並且通過控制各參數，採用水熱、燒結工藝製備出平均粒徑與實施例1空心球所等同的硫化鎳實心顆粒，
以該硫化鎳實心球製備正極極片，並組裝成電池，工序均同實施例1。
對上述組裝完畢的電池在室溫(25℃)條件下進行充放電研究，檢測參數同實施例1，檢測結果如附圖2所示。根據實驗結果，電化學性能遠不如實施例1的空心球硫化鎳正極材料。