一种应用于光充电电池的兼容电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于能量转化与储能器件技术领域，具体公开了一种应用于光充电电池的兼容电极材料及其制备方法。其中：兼容电极材料的制备方法，包括以下步骤：将生物质碳源粉末在惰性气氛下进行热处理，冷却后，得生物质多孔碳；将生物质多孔碳分散于去离子水中，加入钒源和硫源混合后，进行水热处理，经洗涤、干燥，制得的电极材料可作为光充电电池中的双功能兼容电极，将其应用于充电电压较低的锌离子电池中，光激发载流子不仅可以提高电极的载流子浓度，而且可以参与Zn

【技术实现步骤摘要】
一种应用于光充电电池的兼容电极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于能量转化与储能器件
，特别涉及一种应用于光充电电池的兼容电极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]受光合作用启发，从自然界获得太阳能并将其以电化学能量形式存储，可以为能源的发展提供新的途径。目前，此类“离网”设备主要是将能量采集装置如太阳能电池等与能量存储设备如电池电容器等以外电路形式连接。然而这种设备多数占地面积大，且面临电路中欧姆损耗以及输出电压不匹配等问题。
[0003]因此，开发不需要外部太阳能电池或外部电源的可以光直接充电的电池是解决能源问题的一种新路径。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出了一种应用于光充电电池的兼容电极材料及其制备方法，通过制备具有花状结构的VS4‑
BC(四硫化钒
‑
生物质碳)兼容电极材料作为双功能兼容电极，并将其应用于充电电压较低的锌离子电池中，光激发载流子不仅可以提高电极的载流子浓度，而且可以参与Zn
2+
的脱嵌过程。因此，光照产生的额外电子可以降低电池的电阻并提高其电化学动力学，实现光照下完全充电。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的第一方面提供了一种兼容电极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0006](1)将生物质碳源粉末在惰性气氛下进行热处理，冷却后，得生物质多孔碳；
[0007](2)将所述生物质多孔碳分散于去离子水中，加入钒源和硫源混合后，进行水热处理，经洗涤、干燥，得所述兼容电极材料。
[0008]需要指出的是，本专利技术所述的兼容电极材料是指该材料可同时实现光电转换和能量存储的双功能性。
[0009]具体地，本专利技术以生物质碳为碳源，经热处理后制得具有多孔结构的生物质碳；同时钒源与硫源在水热条件下合成四硫化钒纳米颗粒，四硫化钒在生长的过程中将以生物质多孔碳为模板，形成具有花状结构的VS4‑
BC复合材料。其中：VS4由V
4+
(S
22
‑
)2的平行准1D链组成，链间距离为为金属离子的储存提供了理想的位置；且VS4具有0.8
‑
1.2eV的窄带能量，可吸收很宽范围的光谱，使其成为一种良好的光驱动光催化剂。但是，VS4的不良导电性和和窄的带隙将致使光生载流子复合严重，因此，本专利技术引入生物质多孔碳以减少团聚，具有π
‑
电子共轭和良好物理性质的生物质多孔碳可以防止载体的复合，并增强颗粒之间的电子转移，从而提高光催化活性。
[0010]同时，本专利技术选择生物质碳作为碳源，一方面可以充分利用生物质废物，合成步骤更加环保；另一方面，源于天然的生物质碳结构具有氮元素和多种含氧官能团，可以提供电
化学活性位点，增强电解质和电极之间的润湿性。当氧官能团引入多孔碳时，在合成VS4过程中将形成C
‑
V键和C
‑
O
‑
V键，并且C
‑
V和C
‑
O
‑
V键有利于加速电子传输，同时可以提高VS4‑
BC的结构稳定性。在合成的初始阶段，更多的钒将被吸附在具有丰富氧官能团的多孔碳表面，有利于加速VS4在一个方向上的成核和生长过程，并减少团聚的发生。此外，生物质碳的独特结构和强大的界面相互作用使得VS4‑
BC复合材料相较于纯VS4的性能更佳，不仅有利于提高光催化活性，更有利于提高光充电电池的综合性能。
[0011]优选的，所述钒源为钒酸钠或偏钒酸钠。
[0012]优选的，所述硫源为硫代乙酰胺溶液。
[0013]进一步的，所述硫代乙酰胺溶液中溶剂为乙二醇，所述硫代乙酰胺溶液的浓度为0.02
‑
0.08g/mL。
[0014]作为上述方案的进一步改进，所述钒源与所述硫源的摩尔比为1：4
‑
6。
[0015]作为上述方案的进一步改进，步骤(2)中，所述生物质多孔碳与所述去离子的质量体积比为0.04
‑
0.2g：100mL。
[0016]作为上述方案的进一步改进，所述生物质多孔碳与所述钒源的质量比为1：10
‑
30。
[0017]优选的，所述生物质多孔碳与所述钒源的质量比为1：25
‑
30。
[0018]作为上述方案的进一步改进，步骤(1)中，所述热处理的温度为850
‑
950℃，保温时间为0.5
‑
1.5小时。
[0019]优选的，所述热处理时的升温速率为3
‑
5℃/min。
[0020]作为上述方案的进一步改进，步骤(2)中，所述水热处理的温度为140
‑
180℃，保温时间为18
‑
24小时。
[0021]作为上述方案的进一步改进，步骤(2)中，所述分散采用超声分散，所述分散的时间为20
‑
40分钟。
[0022]作为上述方案的进一步改进，步骤(2)中，所述混合采用搅拌的方式，所述搅拌的时间为2
‑
4小时。
[0023]作为上述方案的进一步改进，步骤(2)中，所述洗涤采用去离子水和乙醇进行2
‑
5次的洗涤。
[0024]作为上述方案的进一步改进，步骤(2)中，所述干燥的温度为50
‑
70℃，干燥的时间为10
‑
14小时。
[0025]作为上述方案的进一步改进，所述生物质碳源粉末的制备步骤为：生物质碳源经去离子水和乙醇清洗后，浸泡于KCl溶液中，再次用去离子水和乙醇进行清洗，经冷冻干燥后，制得。
[0026]优选的，所述生物质碳源选自柚子皮、玉米秸秆、花生壳中的任意一种。其中：所述柚子皮为去除坚硬黄色外皮后，柔软的内皮部分。
[0027]优选的，所述KCl溶液的浓度为0.1
‑
0.3g/mL。
[0028]进一步的，所述生物质碳源与KCl溶液的质量比为1：(3
‑
5)。
[0029]优选的，所述冷冻干燥的时间为10
‑
15小时。
[0030]本专利技术的第二方面提供了一种兼容电极材料，所述兼容电极材料由本专利技术第一方面所述的制备方法制得；所述兼容电极材料包括生物质多孔碳和四硫化钒，所述兼容电极材料具有花状球形结构。
[0031]具体地，本专利技术的兼容电极材料由具有光电效应和电荷存储能力的生物质多孔碳和四硫化钒双功能复合材料组成，具有较窄的带隙和较宽的光吸收范围。同时，该复合材料可通过控制生物质多孔碳的含量，以调控复合材料的形貌，从而调控兼容电极材料的带隙，进而调节兼容电极材料的光吸收能力。
[0032]本专利技术的第三方面提供了一种光充电电池，所述光充电电池的电极材料包括锌电极和本专利技术第二方面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼容电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将生物质碳源粉末在惰性气氛下进行热处理，冷却后，得生物质多孔碳；(2)将所述生物质多孔碳分散于去离子水中，加入钒源和硫源混合后，进行水热处理，经洗涤、干燥，得所述兼容电极材料。2.根据权利要求1所述的兼容电极材料的制备方法，其特征在于，所述钒源为钒酸钠或偏钒酸钠，所述硫源为硫代乙酰胺溶液；所述钒源与所述硫源的摩尔比为1：4
‑
6。3.根据权利要求1或2所述的兼容电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述生物质多孔碳与所述去离子的质量体积比为0.04
‑
0.2g：100mL；所述生物质多孔碳与所述钒源的质量比为1：10
‑
30。4.根据权利要求2所述的兼容电极材料的制备方法，其特征在于，所述硫代乙酰胺溶液中溶剂为乙二醇，所述硫代乙酰胺溶液的浓度为0.02
‑
0.08g/mL。5.根据权利要求1所述的兼容电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：段连峰，渠源多，廖斯琪，王俊凯，鲁福身，
申请(专利权)人：汕头大学，
类型：发明
国别省市：