硫化铜材料在电池正极材料中的用途、电极及电池制造技术

本发明专利技术公开了硫化铜在电池正极材料中的用途、电极及电池，其中硫化铜材料为中空立方体Cu7S4纳米颗粒。使用这种材料制备的电池正极用于锌离子电池，能够有效利用其形貌结构具备的优势，为Zn

【技术实现步骤摘要】
硫化铜材料在电池正极材料中的用途、电极及电池


[0001]本专利技术属于功能纳米材料
，涉及电化学材料，具体涉及硫化铜在电池正极材料中的用途、电极及电池。

技术介绍

[0002]近年来，可充电锂离子电池的广泛使用极大地改变了人们的能源使用方式、产品形式，甚至生活习惯。然而现有锂电池技术发展速度不能满足人们的需求，各种新型电池得到大量研究。锌离子电池由于成本低、分布广、提炼简单、资源利用率高等特点引起了人们的广泛关注。但不可忽视的是，锌离子半径大于锂离子半径，使得锌离子在嵌入材料晶体结构过程中更加倾向于嵌入空间更大的氧离子八面体或三棱柱构型的阴离子间隙位。其次，锌离子的相对原子质量大于锂离子，同时锌离子的电极电位比锂离子高，这些因素共同作用导致锌离子电池的质量能量密度低于锂离子电池。因此，锌离子电池的关键技术主要是开发出具备高稳定特性的材料。
[0003]硫化铜(Cu7S4)具有特殊的层状结构，块状或微米尺寸的铜基材料用于电池电极时，由于其具有较高的理论容量，有望作为商业上碳电极的潜在替代品，因此得到广泛研究。然而，铜基材料的主要缺点是由于电化学循环中体积变化很大，容量急剧下降。
[0004]例如，专利文献CN112382743A公开了一种柔性硫化铜复合电极及其制备方法以及包含其的镁基二次电池，通过在柔性网络基体表面生长纳米硫化铜颗粒，得到复合电极，作为镁基二次电池的正极，对制备的2016型纽扣电池进行电化学测试发现，电池的首次放电比容量达到380～460mAh
·
g
‑1，100次循环容量稳定在约200mAh
·
g
‑1的水平，说明电极稳定性不足。新的可用于电池电极的铜基材料有待研究和开发。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种硫化铜材料在电池正极材料中的用途。
[0006]其技术方案如下：
[0007]硫化铜材料在制备电池正极材料中的应用，所述硫化铜材料为中空立方体Cu7S4纳米颗粒。
[0008]作为优选，上述电池为锌离子电池。
[0009]作为优选，上述中空立方体纳米颗粒的粒径为100
‑
1000nm。
[0010]本专利技术的目的之二在于提供一种电池正极。其技术方案如下：
[0011]一种电池正极，其关键在于由中空立方体Cu7S4纳米颗粒、导电剂和粘接剂均匀混合后附着在导电片上形成。
[0012]作为优选，上述导电剂为乙炔黑。
[0013]作为优选，上述粘接剂为羧甲基纤维素钠。
[0014]作为优选，上述导电剂为乙炔黑，所述粘接剂为羧甲基纤维素钠；
[0015]以重量份数计，所述中空立方体Cu7S4纳米颗粒、乙炔黑和羧甲基纤维素钠的用量比例为75～80:10～15:10～15。
[0016]本专利技术的目的之三在于提供一种电池正极的制备方法。其技术方案如下：
[0017]一种电池正极的制备方法，其关键在于按以下步骤进行：称取中空立方体Cu7S4纳米颗粒、导电剂和粘接剂，混合后加入去离子水，搅拌均匀至糊状，然后均匀涂抹在导电片上，干燥后冲制成电极片。
[0018]作为优选，上述干燥过程为，先在50～60℃下烘5～10min，再在80～100℃下真空干燥12～24h。
[0019]本专利技术的目的之三在于提供一种锌离子电池。其技术方案如下：
[0020]一种锌离子电池，其关键在于以任意一项上述的电池正极为工作电极，以锌片为对电极。
[0021]作为优选，上述电池的隔膜为玻璃纤维滤纸，电解液为2mol/L的Na2SO4溶液。
附图说明
[0022]图1为实施例1制得的黑色粉体的扫描电子显微镜图片；
[0023]图2为实施例1制得的黑色粉体的透射电子显微镜图片；
[0024]图3为实施例1制得的黑色粉体的元素分布图；
[0025]图4为实施例1制得的黑色粉体的XPS图谱；
[0026]图5为实施例1制得的黑色粉体的X射线衍射图谱；
[0027]图6为实施例3制得的锌离子电池的循环充放电曲线；
[0028]图7为锌离子电池正极电化学阻抗测试曲线。
具体实施方式
[0029]以下结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明。
[0030]中空立方体状Cu7S4可以采用现有方法制备，本实施方式中，通过模板法合成。
[0031]中空立方体状Cu7S4纳米颗粒的制备
[0032]实施例1
[0033]中空立方体状Cu7S4纳米颗粒的制备过程为：
[0034](1)Cu2O的制备：以硫酸铜和柠檬酸钠为原料制备立方氧化铜(Cu2O)模板。具体地，将CuSO4·
H2O(15mmol)和柠檬酸钠(5mmol)溶于800ml水中搅拌15min，然后在搅拌条件下加入200mL 1.25M NaOH，搅拌15分钟后，将500mL 0.03M抗坏血酸加入悬浮液中，搅拌6分钟，得到的混合溶液在室温下陈化2小时。离心收集沉淀，用水和乙醇交替洗涤，得到Cu2O纳米立方体。
[0035](2)Cu2O@CuS纳米立方体的制备：在水热条件下利用硫化钠对立方氧化铜模板进行刻蚀，得到氧化铜和硫化铜复合材料。具体地，首先将步骤(1)制备的Cu2O纳米立方体(1g)超声分散到400毫升去离子水中，然后加入200mL 6.25mM的Na2S水溶液混合搅拌。陈化一夜后，离心收集沉淀，用水和乙醇交替洗涤数次，得到Cu2O@CuS纳米立方体。
[0036](3)中空立方体状Cu7S4纳米颗粒的制备:将制备的Cu2O@CuS纳米立方体和Na2S2O3分散在溶剂中，制备中空立方体状Cu7S4纳米颗粒。具体地，称取1g步骤(2)制备的Cu2O@CuS
纳米立方体，分散到400ml水和乙醇中(体积比1:1)，然后取Na2S2O3水溶液(1.0M,200mL)加入上述混合物中搅拌反应，30min后，采用离心收集，用水和乙醇交替洗数次，干燥后得到黑色粉体。
[0037]取制得的黑色粉体，采用常规方法制备样品，进行扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析其形貌结构，通过能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱仪(XPS)表征材料元素组成和晶体结构。
[0038]如图1所示，扫描电子显微镜成像显示，制备得到的黑色粉体颗粒为规整的立方体形，颗粒大小均匀，粒径约为400～600nm。
[0039]如图2、图3和图4，透射电子显微镜图像、元素分布图和XPS图谱显示，制备得到的黑色粉体颗粒为明显中空立方体纳米颗粒，并且主要由Cu、S两种元素组成。
[0040]如图5，X射线衍射图谱的特征衍射峰表明，制备得到的纳米颗粒晶粒结构为Cu7S4晶体。
[0041]以上结果证实，制备得到的黑色粉体为中空立方体状Cu7S4纳米颗粒。
[0042]电极片的制备
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.硫化铜材料在制备电池正极材料中的应用，所述硫化铜材料为中空立方体Cu7S4纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述电池为锌离子电池。3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于：所述中空立方体纳米颗粒的粒径为100
‑
1000nm。4.一种电池正极，其特征在于由中空立方体Cu7S4纳米颗粒、导电剂和粘接剂均匀混合后附着在导电片上形成。5.根据权利要求4所述的电池正极，其特征在于：所述导电剂为乙炔黑。6.根据权利要求4所述的电池正极，其特征在于：所述粘接剂为羧甲基纤维素钠。7.根据权利要求4所述的电池正极，其特征在于：所述导电剂为乙炔黑，所述粘...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡婕，杨俊霞，雷琴，许婧，
申请(专利权)人：重庆化工职业学院，
类型：发明
国别省市：