一种二硫化镍/碳纳米管复合电极材料及制备方法和应用技术

本发明专利技术属于镁离子电池电极材料领域，特别是指一种二硫化镍/碳纳米管复合电极材料及制备方法和应用。通过一步溶剂热法，使得二硫化镍原位生长在碳纳米管上，将二硫化镍/碳纳米管作为正极材料，应用在镁离子电池上并测试其电化学性能。本发明专利技术提供的二硫化镍/碳纳米管复合电极材料的制备方法具有成本低、工艺简单、效率高等优点。通过电化学测试，以二硫化镍/碳纳米管复合电极材料作为正极在镁离子电池具有比容量高，倍率性能好以及长循环性能优异等优点。异等优点。异等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种二硫化镍/碳纳米管复合电极材料及制备方法和应用


[0001]本专利技术属于镁离子电池电极材料领域，特别是指一种二硫化镍/碳纳米管复合电极材料及制备方法和应用。

技术介绍

[0002]综合性能优良的储能装置，可促进可持续绿色能源的大规模应用，被广泛认为是实现碳中和的关键。目前，在各类储能装置中，锂离子电池的市场份额、研究和发展都处于领先地位。然而，锂最终将供不应求，而且锂枝晶的形成会带来了一些安全问题。因此，迫切需要一种低成本和安全的金属阳极来替代锂。由于元素周期表的独特对角线规则，镁和锂是对角线元素，因此二者具有非常相似的化学性质。镁在地壳中含量丰富，大约是锂含量的104倍。除此之外，研究表明，镁离子电池在电沉积过程中会形成镁枝晶，这极大地提高了电池的安全性能，因此镁离子电池拥有广泛的应用前景。但是，目前能够存储镁离子的正极材料有限。当具有高电荷密度的镁离子插入材料的晶体结构时，周围的宿主晶格的静电场发生了巨大的变化，导致镁离子具有高扩散势垒，这将使得镁离子插入过程变得困难或迟缓。同样在循环过程中，电极材料的体积变化会导致容量的快速衰减。目前缺乏合适的电极材料。
[0003]比容量是评价电极材料性能的重要因素，开发具有优良储镁性能的电极材料被认为是促进镁离子电池商业化的有效措施。已知电极材料中非金属元素的增加有利于理论比容量的增加，这些非金属元素形成的阴离子能够为活性的金属离子嵌入提供可逆的氧化还原活性位点。因此，富含阴离子的电极材料受到了广泛关注。然而，材料富含阴离子的特性导致了较差的电子导电性，所以电极材料与高导电性碳基材料复合被认为是提高其导电性的有效方法。根据最近的研究，复合方法可分为碳涂层技术和碳负载技术。碳涂层技术不仅可以提高电极材料的导电性，而且能够提高电极材料的机械强度用来防止材料变形，提高了电极材料的利用率和循环寿命。但，碳涂层技术减少了电极材料和电解液之间的接触面积，从而导致浓度极化。尽管碳负载技术可以在不削弱电解液和电极材料之间的接触面积的情况下提高电极材料的导电性，但电极材料的结构变形而导致的结构坍塌并未得到改善。因此，为了获得储镁性能优异的材料，需要进一步优化这两种复合技术。众所周知，电极材料结构的不可逆变形和内外形变率的巨大差异是导致电极材料结构崩塌的主要因素。人们认识到，具有纳米结构的电极材料能够缩短离子和电子传输路径，增加活性位点，从而削弱极化现象引起的不可逆变形，并通过提高电极材料的利用率来改善了电极材料的变形均匀性。因此使用纳米材料在高导电碳材料表面的原位生长的方法有望制备出优异的镁存储材料。
[0004]因此，利用溶剂热的方法，通过调整镍基碳纳米管的投放量，使得二硫化镍原位生在碳纳米管表面，进一步洗涤干燥，得到具有交织网状结构的二硫化镍/碳纳米管复合电极材料。最后将其作为镁离子电池的正极材料，考察其电化学性能，并探究其储镁机制。

技术实现思路

[0005]针对镁离子电池中镁离子插入动力学缓慢的技术问题，本专利技术提出一种二硫化镍/碳纳米管复合电极材料及制备方法和应用，本专利技术方法制备的二硫化镍/碳纳米管复合电极材料具有导电性能好，倍率性能好，长循环以及性能优异的特点。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种二硫化镍/碳纳米管复合电极材料，为二硫化镍纳米颗粒原位生长在碳纳米管上形成，其分子式为NiS2/CNTs，其中二硫化镍纳米颗粒直径为10～100 nm。
[0007]一种二硫化镍/碳纳米管复合电极材料的制备方法，步骤如下：（1）电极材料的制备：将六水合硝酸镍、硫代硫酸钠、镍基碳纳米管和无水乙醇加入聚四氟乙烯反应釜内，搅拌均匀后于超声波清洗器内超声，在聚四氟乙烯反应釜内恒温反应，得到二硫化镍/碳纳米管复合电极材料浑浊液；（2）电极材料成品的制备：将步骤（1）制备的二硫化镍/碳纳米管复合电极材料浑浊液冷却至室温，经过离心、清洗、干燥得到二硫化镍/碳纳米管复合电极材料成品。
[0008]所述步骤（1）中六水合硝酸镍的质量份数为0.1
‑
0.4份，硫代硫酸钠的质量份数为0.1
‑
2份，镍基碳纳米管的质量份数为1
‑
50份，无水乙醇的质量份数为16份。
[0009]所述步骤（1）中聚四氟乙烯反应釜反应温度为120
‑
160℃，反应时间为12
‑
36 h。
[0010]所述步骤（2）中离心液为乙醇和去离子水，干燥温度为60
‑
80℃，干燥时间为6
‑
20 h。
[0011]上述的二硫化镍/碳纳米管复合电极材料在镁离子电池领域的应用。
[0012]一种镁离子电池，包括正极、负极、电解液和隔膜，所述正极包括导电剂、正极粘合剂、正极集流体和上述的二硫化镍/碳纳米管复合电极材料。
[0013]所述正极的制备方法为：将二硫化镍/碳纳米管复合材料、导电剂、正极粘合剂加入到研钵中，研磨，加入有机溶剂，搅拌均匀后涂覆在铜箔上，干燥；所述导电剂为乙炔黑或炭黑；所述正极粘合剂为聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯；二硫化镍/碳纳米管复合电极材料、导电剂和正极粘合剂质量比为(8
‑
A
‑
B)：(1+A)：(1+B)，其中0≤A≤2，0≤B≤1，正极的质量为30
‑
60 mg，有机溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮，涂覆方式为刮涂、旋涂、滴涂中的任意一种，铜箔厚度为14
‑
21 μm，铜箔圆片直径为8mm，每片铜箔的负载的活性质量为0.48
‑
0.64 mg，涂覆后干燥温度为70 ℃，干燥时间为6
‑
12 h。
[0014]所述负极的制备方法为：使用砂纸打磨镁片，打磨至两面光滑，然后使用稀盐酸溶液清洗打磨后的镁片；再分别使用蒸馏水和无水乙醇冲洗镁片，得到表面光滑的镁负极，然后使用冲压机将镁片裁成一个圆片；其中稀盐酸的浓度为0.1
‑
0.5 M，镁圆片的直径为8
‑
13 mm。
[0015]上述镁离子电池的组装方法为：在手套箱内，使用硬币型电池CR2032，分别将正极、隔膜、负极通过叠片的方式复合在一起，同时滴加电解液，最后使用封口机对电池进行封装，得到镁离子电池；其中玻璃纤维隔膜作为隔膜，电解液为(MgphCl)2/THF
‑
AlCl3，电解液浓度为0.4 M。
[0016]本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术首次使用二硫化镍作为镁离子电池的电极材料。二硫化镍本身制备简单，对环境污染小。在二硫化镍的晶体结构中，既具有高电负性S
‑
S键，又具有丰富且规则的
一维孔结构，类似于金属有机骨架。S
‑
S键中的硫阴离子可以对镁离子产生吸引力，以促进镁离子的嵌入。二硫化镍的孔径（最小孔径为2.39
ꢀÅ
）比镁离子（1.44
ꢀÅ
）大得多，可以作为镁离子的定向传输通道本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二硫化镍/碳纳米管复合电极材料，其特征在于：所述二硫化镍/碳纳米管复合电极材料为二硫化镍纳米颗粒原位生长在碳纳米管上形成，其分子式为NiS2/CNTs，其中二硫化镍纳米颗粒直径为10～100 nm。2.权利要求1所述的二硫化镍/碳纳米管复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：（1）电极材料的制备：将六水合硝酸镍、硫代硫酸钠、镍基碳纳米管和无水乙醇加入聚四氟乙烯反应釜内，搅拌均匀后于超声波清洗器内超声，在聚四氟乙烯反应釜内恒温反应，得到二硫化镍/碳纳米管复合电极材料浑浊液；（2）电极材料成品的制备：将步骤（1）制备的二硫化镍/碳纳米管复合电极材料浑浊液冷却至室温，经过离心、清洗、干燥得到二硫化镍/碳纳米管复合电极材料成品。3.根据权利要求2所述的二硫化镍/碳纳米管复合电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中六水合硝酸镍的质量份数为0.1
‑
0.4份，硫代硫酸钠的质量份数为0.1
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2份，镍基碳纳米管的质量份数为1
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50份，无水乙醇的质量份数为16份。4.根据权利要求2所述的二硫化镍/碳纳米管复合电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中聚四氟乙烯反应釜反应温度为120
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160℃，反应时间为12
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36 h。5.根据权利要求2所述的二硫化镍/碳纳米管复合电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中离心液为乙醇和去离子水，干燥温度为60
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80℃，干燥时间为6
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20 h。6.权利要求1所述的二硫化镍/碳纳米管复合电极材料在镁离子电池领域的应用。7.一种镁离子电池，其特征在于，包括正极、负极、电解液和隔膜，所述正极包括导电剂、正极粘合剂、正极集流体和权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：米立伟，卫武涛，叶子森，李萍，黄超，
申请(专利权)人：中原工学院，
类型：发明
国别省市：