一种黄钾铁矾电极材料及其制备方法和一种自支撑电极及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于无机材料和电极材料制备技术领域，具体公开了一种黄钾铁矾电极材料及其制备方法和一种自支撑电极及其制备方法与应用。本发明专利技术将七水合硫酸亚铁、硝酸钾和稀硫酸溶液混合进行反应，制备得到了六方纳米片状的黄钾铁矾电极材料。然后将黄钾铁矾电极材料与单壁碳纳米管按特定比例混合，制备得到了自支撑电极。本发明专利技术制备的自支撑电极结合了黄钾铁矾电极材料与碳纳米管的优势，具有优异的导电性和倍率性能，且在制备过程中无需添加粘结剂与集流体，有效的提高了电池的能量密度。有效的提高了电池的能量密度。有效的提高了电池的能量密度。

【技术实现步骤摘要】
一种黄钾铁矾电极材料及其制备方法和一种自支撑电极及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及无机材料和电极材料制备
，尤其涉及一种黄钾铁矾电极材料及其制备方法和一种自支撑电极及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]电动汽车以及可携带电子设备的快速发展，要求电化学储能设备具有更高的能量密度、功率密度、安全性以及低的成本。黄钾铁矾作为一种天然含铁矿物，是酸浸采矿的副产品，具有成本低的优点。并且黄钾铁矾具有隧道结构，允许离子快速的脱嵌，是一种具有优异倍率性能的电极材料，可以进行快速的充放电。关于黄钾铁矾的制备方案已有文献报道，但大多技术需要使用浓硫酸，在较高温度下进行较长时间的溶剂热反应制备。由于制备过程中使用了强酸溶液与高压反应釜，因此合成过程具有一定的危险性；而且，采用现有方法制备的黄钾铁矾一般为块状结构，导致导电性较差。因此，急需设计一种绿色环保、反应条件简单的黄钾铁矾制备方案。
[0003]常规浆料涂覆制备电极片的方法，步骤复杂，耗时长。其中非活性的粘结剂的使用不利于电子的传导与离子的扩散，并且会降低整个器件的能量密度。当电极片载量过高时，电极片厚度变大，还会出现电极材料从集流体上脱落的问题。因此，如何提供一种无粘结剂的自支撑电极，进而提高器件的能量密度是本领域亟待解决的难题。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种黄钾铁矾电极材料及其制备方法和一种自支撑电极及其制备方法与应用，以解决传统黄钾铁矾电极材料制备过程复杂，耗时长、制备过程危险以及得到的黄钾铁矾导电性差的问题，同时还解决了传统电极材料需要添加粘结剂或集流体，导致能量密度低的问题。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种黄钾铁矾电极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]将钾盐、亚铁盐和硫酸溶液混合，进行反应，得到黄钾铁矾电极材料。
[0008]优选的，所述钾盐包括硝酸钾、氯化钾和硫酸钾中的一种或几种，所述亚铁盐包括硫酸亚铁、七水合硫酸亚铁和氯化亚铁中的一种或几种。
[0009]优选的，所述钾盐、亚铁盐和硫酸溶液的摩尔体积比为1mol：1.5～3mol：10～70L，所述硫酸溶液的浓度为0.01～0.1mol/L。
[0010]优选的，所述反应的温度为70～90℃，反应的时间为3～24h。
[0011]本专利技术的另一目的是提供一种黄钾铁矾电极材料的制备方法制备得到的黄钾铁矾电极材料，所述黄钾铁矾电极材料的形貌为六方纳米片状。
[0012]本专利技术的再一目的是提供一种自支撑电极的制备方法，包括以下步骤：
[0013]将黄钾铁矾电极材料、单壁碳纳米管和水混合，干燥得到自支撑电极。
[0014]优选的，所述黄钾铁矾电极材料和单壁碳纳米管的质量比≤10：1，水与单壁碳纳米管的质量比为1500～5000：1。
[0015]本专利技术的再一目的是提供一种自支撑电极的制备方法制备得到的自支撑电极。
[0016]本专利技术的再一目的是提供一种自支撑电极在电池中的应用。
[0017]优选的，所述电池包括水系锂离子电池或有机钠离子电池。
[0018]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0019]1、本专利技术制备的六方纳米片状黄钾铁矾电极材料的厚度为60～120nm，将其与单壁碳纳米管混合制备的自支撑电极结合了二者的优点，其中超薄的黄钾铁矾纳米片具有比块状材料更高的导电性，较大的比表面积也提供了更多的反应活性位点；单壁碳纳米管构成的导电网络结构抑制了循环过程中电极的体积膨胀，并且具有更优的导电性。该自支撑电极用于水系锂离子电池与有机系钠离子电池均表现出优异的电化学性能；
[0020]2、本专利技术公开的黄钾铁矾电极材料的制备方法无需使用水热釜等密封高压反应容器，反应条件温和，反应时长短，工艺简单，操作简便，是一种绿色环保的合成方法；
[0021]3、与传统浆料涂覆制备电极片的方法相比，本专利技术公开的自支撑电极制备方法简单，无需添加粘结剂，导电剂分布均匀，无需设置集流体，并且在制备高载量电极时不会发生材料脱落的问题；其中碳纳米管所构建的导电网络将电极材料缠绕在导电网络中，提高了电极的导电性，有利于设计具有优异倍率性能的储能器件，此外自支撑电极无需设置集流体与粘结剂，有利于提高储能器件的能量密度。
附图说明
[0022]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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0023]图1为实施例1制备的黄钾铁矾电极材料的X
‑
射线衍射图；
[0024]图2为实施例1制备的黄钾铁矾电极材料的扫描电镜图；
[0025]图3为实施例2制备的黄钾铁矾电极材料的X
‑
射线衍射图；
[0026]图4为实施例2制备的黄钾铁矾电极材料的扫描电镜图；
[0027]图5为实施例3制备的自支撑电极的光学照片；
[0028]图6为实施例3制备的自支撑电极截面的扫描电镜图；
[0029]图7为实施例3制备的自支撑电极在有机系钠离子电池中的循环伏安曲线；
[0030]图8为实施例3制备的支撑电极在有机系钠离子电池中的充放电曲线；
[0031]图9为实施例3制备的自支撑电极在有机系钠离子电池中的倍率性能图；
[0032]图10为实施例4制备的自支撑电极在水系锂离子电池中的循环伏安曲线；
[0033]图11为实施例4制备的自支撑电极在水系锂离子电池中的充放电曲线；
[0034]图12为实施例4制备的自支撑电极在水系锂离子电池中的倍率性能图。
具体实施方式
[0035]本专利技术提供了一种黄钾铁矾电极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0036]将钾盐、亚铁盐和硫酸溶液混合，进行反应，得到黄钾铁矾电极材料。
[0037]在本专利技术中，混合优选采用超声混合。
[0038]在本专利技术中，所述钾盐包括硝酸钾、氯化钾和硫酸钾中的一种或几种，优选为硝酸钾；所述亚铁盐包括硫酸亚铁、七水合硫酸亚铁和氯化亚铁中的一种或几种，优选为七水合硫酸亚铁。
[0039]在本专利技术中，所述钾盐、亚铁盐和硫酸溶液的摩尔体积比为1mol：1.5～3mol：10～70L，优选为1mol：1.8～2.5mol：20～60L，进一步优选为1mol：2mol：50L；所述硫酸溶液的浓度为0.01～0.1mol/L，优选为0.03～0.08mol/L，进一步优选为0.05mol/L。
[0040]在本专利技术中，所述反应的温度为70～90℃，优选为75～85℃，进一步优选为80℃；反应的时间为3～24h，优选为5～16h，进一步优选为8h。
[0041]在本专利技术中，反本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种黄钾铁矾电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将钾盐、亚铁盐和硫酸溶液混合，进行反应，得到黄钾铁矾电极材料。2.根据权利要求1所述的一种黄钾铁矾电极材料的制备方法，其特征在于，所述钾盐包括硝酸钾、氯化钾和硫酸钾中的一种或几种，所述亚铁盐包括硫酸亚铁、七水合硫酸亚铁和氯化亚铁中的一种或几种。3.根据权利要求2所述的一种黄钾铁矾电极材料的制备方法，其特征在于，所述钾盐、亚铁盐和硫酸溶液的摩尔体积比为1mol：1.5～3mol：10～70L，所述硫酸溶液的浓度为0.01～0.1mol/L。4.根据权利要求1～3任一项所述的一种黄钾铁矾电极材料的制备方法，其特征在于，所述反应的温度为70～90℃，反应的时间为3～24h。5.权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金平，陈晨阳，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：