一种柔性复合电极及其制备的电池制造技术

本发明专利技术公开了一种柔性复合电极及其制备的电池，所述碳化棉布上负载有金属硫化物的复合电极材料是通过将棉布与金属硫化物在溶液中于温和条件下复合并碳化后得到，复合材料中金属硫化物均匀负载在碳化棉纤维上，复合材料具有三维交联多孔的微观形貌和柔性自支撑的宏观特点。所述电池为可充放室温钠（离子）电池。其中钠电池是以柔性复合电极为钠电池的正极，金属钠为负极；钠离子电池是以柔性复合电极为负极，可嵌脱钠的材料为正极。本发明专利技术公开的柔性复合电极具有成本低廉、原料丰富易得、制备流程简单的优点，同时可实现废旧棉纺织物的回收再利用，具有良好的循环经济价值和极高的环保意义。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性复合电极及其制备的电池
本专利技术涉及电池领域，具体涉及一种柔性复合电极及其制备的电池。
技术介绍
由于对柔性器件的需求不断增长，柔性电极近年来也吸引了研究人员极大的关注。常用的柔性基底，如石墨烯、碳纳米纤维、商用碳布和金属等，成本较高。同时，常用的柔性基底与高容量材料复合的方法如高温水热法、浸渍法、电沉积和高压下的静电纺丝法，通常会面临能耗较大、负载不均的问题。因此急需开发一种高容量材料在温和条件下与价格低廉的柔性基底进行有效均一复合的方法。纺织品工业是当前世界范围内最大而且成熟的工业之一，可以快速进行纺织品的高产量输出，纺织产品也广泛应用于人们生产生活的各个领域。然而，与此同时也产生了数量庞大的废弃纺织品材料，而当前的垃圾场填埋处理和焚烧处理造成了严重的资源浪费和生态环境的破坏。因此，对废旧纺织材料进行有效的回收再利用，不仅避免了资源浪费，实现了废旧纺织品的再利用价值，同时也具有极高的环保意义。作为主要的纺织品之一，棉布具有价格低廉、质量轻和表面化学活性高的优点。棉布的化学组成为纤维素，纤维素中的具有丰富的含氧基团，而对于已被染料染色后的有色棉织物，从化学的角度上看，其纤维表面已被修饰上了一定量的官能团，而且多为具有极性的基团，这些均使棉布能通过化学作用与电极活性材料有效复合，进而提升材料的能量密度，同时，碳化过后的棉布又可具有导电性的同时保持柔性，非常适合作为柔性电极的导电集流体。钠离子电池由于具有与锂离子电池相似的储能机理，同时具有钠资源丰富、成本低廉的优点，在大规模储能领域中拥有广阔的应用前景。随着近年来对钠离子电池研究的深入，开发具有高能量密度和长循环稳定性的钠离子电池成为目前钠离子电池的研究发展方向之一。钠离子电池电极材料是决定电池性能的关键，也是当前研究的核心。在钠离子电池负极材料方面，金属硫化物由于具有储量丰富、安全性高和理论比容量高的优点而具有良好的发展前景。此外，当前研究多集中在提升金属硫化物自身的质量比容量，而针对电极中活性材料低负载量造成的低面容量的研究较少。同时，常规的电极制备工艺采用的浆料涂布法不可避免的需要使用粘结剂、额外的导电剂和金属集流体，这些不贡献容量的组分又大大降低了整个电极以及电池的体积/质量能量密度，同时，还可能造成后期电池循环寿命的衰减。因此，具有自支撑结构的电极材料更有利于提升电极的能量密度。
技术实现思路
本专利技术提出了一种柔性复合电极及其制备的电池，在温和条件下将柔性棉布与高容量的金属硫化物颗粒复合，碳化后作为柔性复合电极，具有成本低廉、原料丰富易得、制备流程简单的优点，同时为废旧棉纺织物的回收提供了一条途径，具有极高的环保意义。碳化过后的棉布同时具有柔性和导电性的特点，当作为柔性钠电池/钠离子电池的电极基底时，既可作为集流体，又可提供储钠容量。包含该材料的可充放钠（离子）电池表现出较高的面容量、优异的倍率性能和良好的循环稳定性，具有非常好的应用前景。实现本专利技术的技术方案是：一种柔性复合电极，柔性复合电极为碳化棉布上负载金属硫化物的复合电极材料，柔性复合电极具有三维交联多孔的微观形貌，为柔性自支撑的电极材料。所述金属硫化物是指Fe、Co、Ni、Sn、Mo、Cu、Zn、Ti、V、Cr、Mn、Te、Ag和W的硫化物中的一种或几种的复合物；柔性复合电极中金属硫化物的含量为1-90wt.%。所述棉布是白色棉布和有色棉布中的一种或几种的复合棉布；所述棉布可以是未经使用的棉布和已经使用回收利用的棉布中的一种或两种的复合棉布。所述的柔性复合电极的制备方法，步骤如下：（1）将金属硫化物分散于溶剂中，置于室温或0-80℃水浴中，并加入表面活性剂，利用酸或碱调节pH至4-10，得到分散液；（2）将棉布用浓度为0.1-10wt.%的NaOH溶液处理并水洗至中性，干燥后加入到步骤（1）得到的分散液中并搅拌，干燥后得到负载有金属硫化物的棉布；（3）将步骤（2）得到的负载有金属硫化物的棉布置于惰性气氛中煅烧，得到柔性复合电极材料。所述步骤（1）中溶剂为水、乙醇、异丙醇、丙酮、乙二醇、乙醚、甲醇、N-N二甲基甲酰胺、二甲亚砜、丙三醇、正丁醇和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种；金属硫化物与溶剂的质量比为1:（100-2000）；所述步骤（1）中表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、3-氨丙基三乙氧基硅氧烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种；所述步骤（1）中表面活性剂的浓度为0.1-20mg/mL；所述步骤（1）中的酸指盐酸、硫酸、碳酸、硝酸、磷酸、醋酸、高氯酸和硅酸中的一种或几种，碱指氨水、氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙和氢氧化铝中的一种或几种。所述步骤（2）中棉布的厚度为0.1-5.0mm。所述步骤（3）中煅烧温度为300-900℃，煅烧时间为1-20h。电池为可充放室温钠/钠离子电池，包括正极、负极、电解液、隔膜以及外壳，采用所述柔性复合电极作为钠电池的正极材料，采用金属钠为钠电池的负极材料；采用所述的柔性复合电极作为钠离子电池的负极材料，采用可嵌脱钠的材料作为钠离子电池的正极材料。所述电解液为钠盐溶于有机溶剂中得到，所述钠盐为三氟甲基磺酸钠、高氯酸钠、六氟磷酸钠和硝酸钠中的一种或几种，有机溶剂是碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、四乙二醇二甲醚、氟代乙烯碳酸酯、二甘醇二甲醚、1,3-环戊二醇、乙二醇二甲醚和三甘醇二甲醚中的一种或几种；所述隔膜是改性醋酸纤维素隔膜、聚乙烯、聚丙烯微孔膜、玻璃纤维隔膜或它们的复合隔膜。所述电池的外壳均采用铝壳、铝塑膜（软包电池）、不锈钢及其复合材料，形状是扣式、柱形或方形。本专利技术的有益效果是：本专利技术公开的柔性复合电极具有三维交联的多孔结构，柔性复合电极为在柔性碳化棉布上负载金属硫化物颗粒的柔性复合电极材料，其中金属硫化物均匀负载在碳化棉纤维上，复合材料具有三维交联多孔的微观形貌和柔性自支撑的宏观特点。柔性复合电极材料是通过将已除浆的棉布与金属硫化物在溶液中复合并碳化后得到。材料的复合结构结合了三维柔性导电骨架和高容量的金属硫化物颗粒，其中，碳化棉布作为集流体使电子能够快速传输，同时负载金属硫化物颗粒并使其高度分散；碳化棉布三维交联多孔的结构提供了充足的离子传输通道；金属硫化物提供了主要的高容量，碳化棉布也提供了部分容量。因此，材料具有高的电子导电性，进而在作为钠离子电池电极材料时拥有较高的面容量、优异的倍率性能和良好的循环稳定性，具有非常好的应用前景。本专利技术公开的柔性复合电极具有成本低廉、原料丰富易得、制备流程简单的优点，同时可实现废旧棉纺织物的回收再利用，具有良好的循环经济价值和极高的环保意义。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是实施例1中所制备的柔性复合电极的X-射线衍射（XRD）图。图2是实施例1中所制备的柔性复合电极的扫描电子显微镜（SEM）图。图3是实施例1中所制备的钠电池的充放电曲线图。图4是实施例1中所制备的钠电池的倍率性能图。图5是实施例1中所制备的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性复合电极，其特征在于：柔性复合电极为碳化棉布上负载金属硫化物的复合电极材料，柔性复合电极具有三维交联多孔的微观形貌，为柔性自支撑的电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种柔性复合电极，其特征在于：柔性复合电极为碳化棉布上负载金属硫化物的复合电极材料，柔性复合电极具有三维交联多孔的微观形貌，为柔性自支撑的电极材料。2.根据权利要求1所述的柔性复合电极，其特征在于：所述金属硫化物是指Fe、Co、Ni、Sn、Mo、Cu、Zn、Ti、V、Cr、Mn、Te、Ag和W的硫化物中的一种或几种的复合物；柔性复合电极中金属硫化物的含量为1-90wt.%。3.权利要求1-2任一项所述的柔性复合电极的制备方法，其特征在于步骤如下：（1）将金属硫化物分散于溶剂中，置于室温或0-80℃的水浴中，并加入表面活性剂，利用酸或碱调节pH至4-10，得到分散液；（2）将棉布用浓度为0.1-10wt.%的NaOH溶液中处理并水洗至中性，干燥后加入到步骤（1）得到的分散液中并搅拌，干燥后得到负载有金属硫化物的棉布；（3）将步骤（2）得到的负载有金属硫化物的棉布置于惰性气氛中煅烧，得到柔性复合电极材料。4.根据权利要求3所述的柔性复合电极的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中溶剂为水、乙醇、异丙醇、丙酮、乙二醇、乙醚、甲醇、N-N二甲基甲酰胺、二甲亚砜、丙三醇、正丁醇和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种；金属硫化物与溶剂的质量比为1:（100-2000）；所述步骤（1）中表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、3-氨丙基三乙氧基硅氧烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种；所述步骤（1）中表面活性剂的浓度...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈卫华，张喜雪，米立伟，崔世忠，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41