用黄铵铁矾和胆矾制备钠离子电池电极材料的工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种用黄铵铁矾和胆矾制备钠离子电池电极材料的工艺，其特征在于，在黄铵铁矾中加入稀硫酸溶液，搅拌直到黄铵铁矾溶解后，加入胆矾，搅拌均匀后，加入纺丝助剂和封端剂，得到电极材料前驱体溶液。将溶液浓缩后，纺丝、煅烧得到主要物相为铁酸铜和碳的复合多孔电极材料。本发明专利技术采用工业废渣，制备高附加值的电极材料，具有成本低，性能好，工艺简单等特点。

【技术实现步骤摘要】
用黄铵铁矾和胆矾制备钠离子电池电极材料的工艺
本专利技术涉及一种钠离子电池电极材料的制备工艺，特别涉及一种利用炼锌厂排放的废渣-黄铵铁矾来制备钠离子电池电极材料的方法。
技术介绍
高性能锂离子电池及其电极材料的研究是电化学、材料化学、物理学等领域研究的热点，而同为元素周期表第I主族的钠离子和锂离子的性质有许多相似之处，钠离子完全有可以和锂离子电池一样构造一种广泛使用的二次电池。并且钠离子电池与锂离子电池相比，原材料成本比锂离子电池低，半电池电位(E0Na+/Na＝E0Li+/Li+0.3V)比锂离子电池高，适合采用分解电压更低的电解液，因而安全性能更佳[贾旭平，陈梅.钠离子电池电极材料研究进展[J].中国电子科学研究院学报，2012，7(6)：581-585]。目前，制备钠离子电极材料的原料主要为化工原料，成本较高，且为了提高电极材料的性能，通常添加多种元素进行多元掺杂，如吴锋等人制备了yNaFe1/2Ni1/2O2-(1-y)Na2MnO3电极材料，性能优于单元材料，其中y为0.1～0.5，50次循环后容量保持率仅为88％[吴锋，谢嫚，王晓明等.一种钠离子电池电极材料及其制备方法[p].CN201210567797]。多元参杂进一步提高了制备成本
技术实现思路
黄铵铁矾为湿法炼锌厂排放出的一种工业废渣，黄铵铁矾的化学式为[(NH4)Fe3(SO4)2(OH)6]，只能在pH为1.5-2.5时稳定，另外黄铵铁矾中含有少量的Pb、Zn、Cu、Cd等重金属，属于危险废物的范畴，如不对其处理，将污染环境。近十年来，我国铅锌冶金保持了快速增长的势头，2010年，铅锌总产量达到958.10万吨。对于年产10万吨的湿法炼锌厂，若锌精矿含铁以8％计，则每年产出的黄铵铁矾约为5.3万吨[陈永明，唐谟堂，第19卷第7期中国有色金属学报杨声海，等.NaOH分解含铟铁矾渣新工艺[J].中国有色金属学报，2009，19(7)：1322-1331]。我国铅锌金属产量已连续多年位居世界第一。在产品产能飞速发展的同时，生产过程中的黄铵铁矾的处理问题逐步凸现。本专利技术的目的是提供一种基于处理湿法冶炼中黄铵铁矾来制备高附加值钠离子电极材料的方法，具有良好的节能减排环保效益。为达到以上目的，本专利技术是采取如下技术方案予以实现的：一种用黄铵铁矾和胆矾制备钠离子电极材料的工艺，其特征在于，包括下述步骤：(1)在黄铵铁矾中加入稀硫酸溶液，搅拌直到黄铵铁矾溶解后，加入胆矾，搅拌均匀后，加入纺丝助剂和封端剂得到前驱体溶胶；其中，所述黄铵铁矾是炼锌厂排放的工业废渣；胆矾的加入量为黄铵铁矾摩尔质量的150mol％；纺丝助剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸中的一种，加入量为黄铵铁矾摩尔质量的1-5mol％，封端剂为甲醇甲醚、甲醇乙醚、甲醛、乙酸中的一种，加入量为黄铵铁矾摩尔质量的1-5mol％；(2)将步骤(1)所得前驱体溶胶浓缩；(3)将浓缩后的前驱体溶胶通过离心纺丝机纺丝得到电极材料棉前驱体；(4)将步骤(3)得到的电极材料棉前驱体干燥，然后在由煤油或柴油分解产生的保护气氛下加热至900℃烧成，保温6小时，最终获得棉花状的钠离子电池电极材料。上述工艺中，步骤(1)中所述胆矾为五水硫酸铜。所述稀硫酸的加入量为稀硫酸溶液中硫酸的摩尔质量为黄铵铁矾摩尔质量的300mol％。稀硫酸的浓度为10％。本专利技术采用了工业废渣黄铵铁矾制备高附加值的电极材料，具有良好的经济效益和环保效益；具有成本低，性能好，制备的电极材料组装电池时，无需加导电剂和粘结剂，工艺简单的特点。具体实施方式一种用黄铵铁矾和胆矾制备钠离子电极材料的工艺，包括以下步骤：(1)在黄铵铁矾中加入稀硫酸溶液，搅拌直到黄铵铁矾溶解后，加入胆矾，搅拌均匀后，加入纺丝助剂和封端剂，得到前驱体溶胶(配方见表1)；黄铵铁矾是炼锌厂排放的工业废渣；(2)将前驱体溶胶在60℃条件下浓缩；(3)将浓缩后的前驱体溶胶放入到离心纺丝机中，采用离心纺丝工艺得到电极材料棉前驱体；(4)将电极材料棉前驱体干燥，然后在由煤油或柴油分解产生的保护气氛下加热至900℃烧成，保温6小时，最终获得棉花状的钠离子电极材料。采用该纤维棉为负极、钠为对电极组装成钠离子电池，对其进行循环充放电测试，循环50次后的放电容量均大于290mAh/g，容量保持率均大于90％(见表2)。表1制备工艺的配方注：稀硫酸的浓度为10％，表中的加入量根据溶液中的H2SO4计算。表2.本专利技术电极材料棉的性能实施例放电容量(mAh/g)容量保持率(％)129191231096332096429594530595631896730092831394931995103019411315951232096本专利技术用稀硫酸将黄铵铁矾分解，得到硫酸铁和硫酸铵的混合溶液，硫酸铁为电极材料提供了铁源；黄钠铁矾中的其它金属离子提供掺杂相；硫酸铵在电极材料煅烧时分解，在电极材料中留下孔洞，增加了电极材料与电解液的接触面积，有利于提高电池的性能；分解出的硫酸铵可进行回收。在前驱体溶胶的制备时，加入封端剂，可阻碍胶粒的生长，提高溶胶的稳定性，有利于溶胶在工业化生产中的应用。另外，胆矾为一种常见的化工原料。电极材料棉前驱体在保护气氛条件下煅烧，前驱体中的纺丝助剂以碳是形式存在于电极材料中，将提高电极材料的导电性能，阻碍电极材料的晶粒生长，从而提高电极材料的性能。电极材料煅烧后，得到主要物相为铁酸铜和碳的复合多孔极材料。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用黄铵铁矾和胆矾制备钠离子电池电极材料的工艺，其特征在于，包括下述步骤：(1)在黄铵铁矾中加入稀硫酸溶液，搅拌直到黄铵铁矾溶解后，加入胆矾，搅拌均匀后，加入纺丝助剂和封端剂得到前驱体溶胶；其中，所述黄铵铁矾是炼锌厂排放的工业废渣；胆矾的加入量为黄铵铁矾摩尔质量的150mol％；纺丝助剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸中的一种，加入量为黄铵铁矾摩尔质量的1‑5mol％，封端剂为甲醇甲醚、甲醇乙醚、甲醛、乙酸中的一种，加入量为黄铵铁矾摩尔质量的1‑5mol％；(2)将步骤(1)所得前驱体溶胶浓缩；(3)将浓缩后的前驱体溶胶通过离心纺丝机纺丝得到电极材料棉前驱体；(4)将步骤(3)得到的电极材料棉前驱体干燥，然后在由煤油或柴油分解产生的保护气氛下加热至900℃烧成，保温6小时，最终获得棉花状的钠离子电池电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种用黄铵铁矾和胆矾制备钠离子电池电极材料的工艺，其特征在于，包括下述步骤：(1)在黄铵铁矾中加入稀硫酸溶液，搅拌直到黄铵铁矾溶解后，加入胆矾，搅拌均匀后，加入纺丝助剂和封端剂得到前驱体溶胶；其中，所述黄铵铁矾来自炼锌厂排放的工业废渣；胆矾的加入量为黄铵铁矾摩尔量的150mol％；纺丝助剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸中的一种，加入量为黄铵铁矾摩尔量的1-5mol％，封端剂为甲醇甲醚、甲醇乙醚、甲醛、乙酸中的一种，加入量为黄铵铁矾摩尔量的1-5mol％；(2)将步骤(1)所得前驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭宏斌，马小玲，侯小强，董洪峰，郭从盛，
申请(专利权)人：陕西理工学院，
类型：发明
国别省市：陕西;61