用于钠离子电池的复合纤维电极材料制备工艺的制作方法

文档序号:7055780阅读:244来源:国知局
用于钠离子电池的复合纤维电极材料制备工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于钠离子电池的复合纤维电极材料制备工艺,其特征在于,在水中加入氧化锑,并加入酸将氧化锑溶解,得到含锑的溶液,在溶液中加入粘度调节剂和缓冲相形成剂,得到前驱体溶液;将前驱体溶液倒入到离心纺丝机中,采用离心纺丝法得到纤维电极的原丝;原丝经干燥和煅烧后,最终获得氧化锑与缓冲相复合的纤维电极材料。该纤维用于钠离子电池,具有充放电容量高、循环性能好的特点。
【专利说明】用于钠离子电池的复合纤维电极材料制备工艺

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于钠离子电池的纤维状电极材料的制备方法。

【背景技术】
[0002] 目前,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 子是完全可以和锂离子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,半电池电位比锂离子电池高(E QNa+/Na = EQU+/Li+0. 3V), 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]。
[0003] 氧化锑可作为锂离子电池的阴极材料,但其不可逆容量损失较大,循环性能较差 [吕成学,褚嘉宜,翟玉春,等.锂离子电池氧化物负极材料的研究[J].东北大学学报(自 然科学版),2004, 25 (6) :567-569]。用其作为钠离子电池的阴极材料,还未见报道。
[0004] 由于钠离子的半径较锂离子半径大,钠离子电池在充放电时,当钠离子嵌入和嵌 出过程中,电极材料晶格参数的变化,及某些电极材料发生的晶型转变(如从晶体转变为 非晶体),在电极材料中会产生应力,甚至引起电极材料颗粒直径或体积的变化。这种应力 和体积的变化,将引起电极材料开裂、解体和脱落,失去与电流收集器的连接,在电解质中 暴露出新的表面,最后导致电化学容量的失去。
[0005] 为改善电极材料在充放电过程中的产生的体积变化和导电性能较差的问题,目前 的发展趋势是:将电极材料的活性物质制备成纳米颗粒。但纳米颗粒的粒径较小,单位体积 的活性物质含量较低,导致体积能量密度较低。


【发明内容】

[0006] 缓冲相形成剂(纤维素,蔗糖、葡萄糖),在保护气氛条件下煅烧,因为无氧参与燃 烧,最后以碳为主的缓冲相存在。如果将活性物质(电极材料)前驱体与缓冲相形成剂复 合,制备成前驱体溶液,通过离心纺丝技术,得到原丝,将原丝在无氧气氛下煅烧后,则活性 物质为纳米颗粒,缓冲相形成剂转变为含碳的缓冲相,这种活性物质与缓冲相均匀混合的 复合纤维具备了纳米材料的性能,还具有较高的导电性能。
[0007] 本发明的目的是提供一种具有充放电容量高、循环性能好的钠离子电池复合纤维 电极材料的制备方法。
[0008] 为达到以上目的,本发明是采取如下技术方案予以实现的:
[0009] -种用于钠离子电池的复合纤维电极材料制备工艺,其特征在于,包括下述步 骤:
[0010] (1)前驱体溶液的制备,在水中加入水质量的50%的氧化锑,再加入氧化锑的摩 尔质量300%的酸,将氧化锑溶解,得到含锑的溶液,再在该溶液中加入水质量的50-100 % 的粘度调节剂和水质量的50-100%的缓冲相形成剂,得到前驱体溶液,其中,粘度调节剂为 聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙烯二醇、聚丙烯酸中的任一种,缓冲相形成剂为纤维素,蔗 糖、葡萄糖中的一种;
[0011] (2)将步骤(1)所得的前驱体溶液倒入离心纺丝机中,采用离心纺丝工艺得到纤 维电极的原丝;
[0012] (3)将步骤(2)得到的纤维电极原丝干燥,然后在保护气氛下加热至600°C,保温1 小时烧成,最终获得氧化锑与缓冲相复合的纤维电极材料;其中保护气氛由煤油或柴油产 生。
[0013] 上述工艺中,步骤(1)中所述的酸为硝酸、盐酸、硫酸和酒石酸的任一种。
[0014] 步骤(2)中所述离心纺丝机为带有高速旋转的甩丝盘,转速为10, 000转/分钟。
[0015] 本发明优点是:
[0016] 1、在前驱体溶液中加入粘度调节剂,得到具有一定粘度的溶液,无需浓缩即可直 接用于纺丝,简化了工序。
[0017] 2、在溶液中加入缓冲相形成剂,纤维煅烧后,缓冲相主要以碳的形式存在于纤维 中,有利于缓解纤维体积膨胀产生的应力,也可约束电极材料颗粒产生的开裂,提高电极材 料循环性能,提高电池的使用寿命。另外缓冲相形成剂中的碳有较好的导电性能,在制备电 池时,无需加入导电剂和粘结剂,简化了制备工艺。
[0018] 3、采用离心纺丝工艺,得到超细纤维,有利于电极材料与电解质的接触,缩短钠离 子的迁移距离,有利于提高电池的充放电速率。
[0019] 4、用煤油或柴油产生保护气氛,保护缓冲相形成剂不被氧化,与用氮气或氩气保 护相比,具有成本低的优点。
[0020] 按照本发明的方法,通过调整配方组成,得到的复合电极材料纤维直径为 2-1(^111,循环100次后,充放电容量最高达90011^11/^。

【具体实施方式】
[0021] 一种用于钠离子电池的复合纤维电极材料制备工艺,包括下述步骤:
[0022] 第一步:制备前驱体溶液,在去离子水中加入去离子水质量的50 %的氧化锑 (Sb203),再加入氧化锑的摩尔质量300%的硝酸、盐酸、硫酸和酒石酸的任一种酸,将氧化锑 溶解,得到含锑的溶液,再在该溶液中加入去离子水质量的50-100 %的粘度调节剂和水质 量50-100%的缓冲相形成剂,得到前驱体溶液。其中,粘度调节剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙 烯醇、聚乙烯二醇、聚丙烯酸中的一种;缓冲相形成剂为纤维素,蔗糖、葡萄糖中的一种;表 1列出了编号为1-9的9个实施例的配方组成。
[0023] 表1原料的配方
[0024]

【权利要求】
1. 一种用于钠离子电池的复合纤维电极材料制备工艺,其特征在于,包括下述步骤: (1) 前驱体溶液的制备,在水中加入水质量的50%的氧化锑,再加入氧化锑的摩尔质 量300%的酸,将氧化锑溶解,得到含锑的溶液,再在该溶液中加入水质量的50-100 %的粘 度调节剂和水质量的50-100%的缓冲相形成剂,得到前驱体溶液,其中,粘度调节剂为聚乙 烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙烯二醇、聚丙烯酸中的任一种,缓冲相形成剂为纤维素,蔗糖、 葡萄糖中的一种; (2) 将步骤(1)所得的前驱体溶液倒入离心纺丝机中,采用离心纺丝工艺得到纤维电 极的原丝; (3) 将步骤(2)得到的纤维电极原丝干燥,然后在保护气氛下加热至600°C,保温1小 时烧成,最终获得氧化锑与缓冲相复合的纤维电极材料;其中保护气氛由煤油或柴油产生。
2. 如权利要求1所述的用于钠离子电池的复合纤维电极材料制备工艺,其特征在于, 步骤(1)中所述的酸为硝酸、盐酸、硫酸和酒石酸的任一种。
3. 如权利要求1所述的用于钠离子电池的复合纤维电极材料制备工艺,其特征在于, 步骤(2)中所述离心纺丝机为带有高速旋转的甩丝盘,转速为10, 000转/分钟。
【文档编号】H01M4/139GK104157841SQ201410401161
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月14日 优先权日:2014年8月14日
【发明者】谭宏斌, 马小玲, 郭从盛, 董洪峰, 韩文松, 罗清威 申请人:陕西理工学院
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