一种锑钠合金电极的制备方法及其应用

1.本发明涉及一种合金电极。特别是涉及一种锑钠合金电极的制备方法及其应用。


背景技术：

2.随着大力发展新能源，将太阳能、潮汐能、风能等安全、无污染的可再生清洁能源转化为电能，成为了现阶段研究的热点，但是风能，太阳能等清洁能源具有不稳定性，因此发展大规模、可靠的储能技术就显得尤为重要。目前较为有效的能源储存手段为二次电池，其中锂离子电池技术已经十分成熟，钠离子电池作为锂离子电池的有效替代者具有着价格低廉的成本优势。而金属钠负极具有在钠离子电池体系中最高的理论比容量(1166ma
·
h/g)以及最低的电极电位(-2.71v)。因此，在储能领域有着可观的应用前景。但研究发现金属钠电池在充放电过程中存在着严重的枝晶生长，严重制约了其在能源储存方面的实际应用。
3.研究发现具有亲钠性的金属锑可以对na
+
的初始成核位点进行有效诱导，使na
+
在负极表面均匀沉积，在后续的循环过程中抑制枝晶的生长，提高金属钠电池的循环稳定性。并且金属锑价格低廉，储量丰富，在储能领域具有重要的研究价值。目前锑在金属钠电池的研究中已经有研究者将合成锑粉涂布在铜箔上组装金属钠电池，但是此种制备方法较为麻烦，为其实际应用带来困难。
4.因此使用一种简单的方法将金属锑与金属钠进行合金化反应形成锑钠合金变得非常必要，也正是大规模储能系统所急需的。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，提供一种方法简单、产率高的锑钠合金电极的制备方法及其应用。
6.本发明所采用的技术方案是：一种锑钠合金电极的制备方法，包括如下步骤：
7.步骤1：将醋酸锑置于乙二醇溶液中，磁力搅拌并加热溶解，得到浓度为20g/l的醋酸锑溶液；
8.步骤2：将得到的醋酸锑溶液进行还原，制备出锑纳米颗粒；
9.步骤3：将所述的锑纳米颗粒与金属钠进行擀压，制备出锑钠合金电极。
10.步骤1中所述的磁力搅拌转速为600r/min。
11.步骤1中所述的搅拌时间为30min。
12.步骤2包括：
13.(2.1)将硼氢化钠溶于超纯水中，再加入氢氧化钠，将ph调节至12～14，制得浓度为10g/l的硼氢化钠溶液；
14.(2.2)按1：1体积比将所述的硼氢化钠溶液逐滴加入到醋酸锑溶液中，加热至60℃，并搅拌2h，充分还原，得到黑色絮体；
15.(2.3)将得到的黑色絮体离心洗涤后，在30℃下干燥12h，得到锑纳米颗粒。
16.第(2.3)步所述的离心洗涤，是先用去离子水洗涤后，再用无水乙醇洗涤。
17.步骤3包括：
18.(3.1)在充满氩气的手套箱内切去钠块表面的氧化皮，使用压片机将钠块压成厚度为0.3mm～0.8mm的钠片后称重；
19.(3.2)将设定重量的锑纳米颗粒倾倒于所述的钠片表面，将锑纳米颗粒包裹于钠片中；
20.(3.3)将包裹有锑纳米颗粒的钠片转移至保鲜袋中，使用压片机反复擀压，得到银白色的锑钠合金，使用直径为14mm的铳子将所述的锑钠合金制成锑钠合金电极。
21.第(3.2)步中所述的锑纳米颗粒与钠片的重量比为1:4。
22.一种采用锑钠合金电极的制备方法制备的锑钠合金电极的应用，锑钠合金电极应用于金属钠电池。
23.本发明的一种锑钠合金电极的制备方法及其应用，以醋酸锑为原料，将其还原成锑纳米颗粒，通过擀压的方式与金属钠复合制备出锑钠合金电极，并将其作为金属钠电池的负极材料；该材料制备方法简单，操作安全绿色，周期短，适合规模化工业生产，所制备出的锑钠合金电极比容量高，循环性能好，倍率性能好。
24.通过本发明将制备的锑钠合金电极作为金属钠电池负极，导电剂为乙炔黑，粘结剂为聚偏氟乙烯，质量比为8：1：1；电解液为1摩尔三氟甲烷磺酸钠(cf3nao3s)的碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯(ec/dec＝1:1)溶液；电池壳型号为2032，无需集流体，隔膜为玻璃纤维；对电极采用磷酸钒钠电极片，所用磷酸钒钠为商用磷酸钒钠，在氩气(0.01ppm)氛围保护下组装电池。将锑钠合金电极作为金属钠电池的负极材料，在充放电电流密度为20ma/g时首次放电比容量可达到106.7mah/g第二次充放电可逆比容量可达到105.4mah/g，充放电50次后，比容量保持在79.7mah/g。本发明采用的原料是绿色环保的醋酸锑，储量丰富，成本低，能够实现新型能源存储材料的构筑，同时材料制备过程中没有使用有机溶剂，另外本发明提供的方法简单、产率高、重现性好、易于大规模生产，具有广阔的应用前景和市场。
附图说明
25.图1是本发明得到的锑纳米颗粒扫描电子显微镜图；
26.图2是本发明锑钠合金对称电池的电压-时间曲线图；
27.图3是本发明锑钠合金全电池在20ma/g下长循环和库伦效率图。
具体实施方式
28.下面结合实施例和附图对本发明的一种锑钠合金电极的制备方法及其应用做出详细说明。
29.本发明的一种锑钠合金电极的制备方法，包括如下步骤：
30.步骤1：将醋酸锑置于乙二醇溶液中，磁力搅拌并加热溶解，得到浓度为20g/l的醋酸锑溶液；其中，所述的磁力搅拌转速为600r/min，搅拌时间为30min。
31.步骤2：将得到的醋酸锑溶液进行还原，制备出如图1所示的锑纳米颗粒；制备过程包括：
32.(2.1)将硼氢化钠溶于超纯水中，再加入氢氧化钠，将ph调节至12～14，制得浓度
为10g/l的硼氢化钠溶液；
33.(2.2)按1：1体积比将所述的硼氢化钠溶液逐滴加入到醋酸锑溶液中，加热至60℃，并搅拌2h，充分还原，得到黑色絮体；
34.(2.3)将得到的黑色絮体离心洗涤后，在30℃下干燥12h，得到锑纳米颗粒；所述的离心洗涤，是先用去离子水洗涤后，再用无水乙醇洗涤。
35.步骤3：将所述的锑纳米颗粒与金属钠进行擀压，制备出锑钠合金电极；包括：
36.(3.1)在充满氩气的手套箱内切去钠块表面的氧化皮，使用压片机将钠块压成厚度为0.3mm～0.8mm的钠片后称重；
37.(3.2)将设定重量的锑纳米颗粒倾倒于所述的钠片表面，将锑纳米颗粒包裹于钠片中；所述的锑纳米颗粒与钠片的重量比为1:4；
38.(3.3)将包裹有锑纳米颗粒的钠片转移至保鲜袋中，使用压片机反复擀压，得到银白色的锑钠合金，使用直径为14mm的铳子将所述的锑钠合金制成锑钠合金电极。
39.采用本发明的一种锑钠合金电极的制备方法制备的锑钠合金电极应用于金属钠电池。
40.本发明的一种锑钠合金电极的制备方法中，不限于以醋酸锑为原料制备锑纳米颗粒，将步骤1中醋酸锑替换为氯化锑，同样可制得锑纳米颗粒。
41.采用本发明的一种锑钠合金电极的制备方法，制备的锑钠合金电极片作为金属钠电池负极，电解液为1摩尔三氟甲烷磺酸钠(cf3nao3s)的碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯(ec/dec＝1:1)溶液，电池壳型号为2032，无需集流体，隔膜为玻璃纤维。对电极采用磷酸钒钠电极片，所用磷酸钒钠为商用磷酸钒钠，导电剂为乙炔黑，粘结剂为聚偏氟乙烯，质量比为8：1：1，在氩气(0.01ppm)氛围保护下组装电池，并将组装好的电池应用于能源存储器件中。将锑钠合金电极作为金属钠电池的负极材料，其对称电池在充放电电流密度为1ma
·
cm-2
，沉积容量为1mah
·
cm-2
时，可稳定循环超160h，如图2所示的锑钠合金对称电池的电压-时间曲线图。全电池在充放电电流密度为20ma/g时首次放电比容量可达到106.7mah/g第二次充放电可逆比容量可达到105.4mah/g，如图3所示的锑钠合金全电池在20ma/g下长循环和库伦效率图。充放电50次后，比容量保持在79.7mah/g。
42.下面给出具体实例
43.实施例1：
44.(1)将0.8035g醋酸锑置于40ml乙二醇中，600r/min搅拌30min得到均匀溶液；
45.(2)将0.4g硼氢化钠溶于40ml超纯水中，加入3g氢氧化钠将ph调节为12，制得浓度为10g/l的硼氢化钠溶液；
46.(3)将所述的硼氢化钠溶液逐滴加入到醋酸锑溶液中，加热至60℃，并搅拌2h，充分还原，得到黑色絮体；
47.(4)将上述黑色絮体先用去离子水洗涤，再用无水乙醇洗涤后，在30℃下干燥12h，再与厚度为0.3mm的钠片按1:4的重量比擀压复合，制备出锑钠合金电极，作为负极材料。
48.实施例2：
49.(1)将1.205g醋酸锑置于60ml乙二醇中，600r/min搅拌30min得到均匀溶液；
50.(2)将0.6g硼氢化钠溶于60ml超纯水中，加入4.2g氢氧化钠将ph调节为13，制得浓度为10g/l的硼氢化钠溶液；
51.(3)将所述的硼氢化钠溶液逐滴加入到醋酸锑溶液中，加热至60℃，并搅拌2h，充分还原，得到黑色絮体；
52.(4)将上述黑色絮体先用去离子水洗涤，再用无水乙醇洗涤后，在30℃下干燥12h，再与厚度为0.5mm的钠片按1:4的重量比擀压复合，制备出锑钠合金电极，作为负极材料。
53.实施例3：
54.(1)将1.607g醋酸锑置于80ml乙二醇中，600r/min搅拌30min得到均匀溶液；
55.(2)将0.8g硼氢化钠溶于80ml超纯水中，加入8g氢氧化钠将ph调节为14，制得浓度为10g/l的硼氢化钠溶液；
56.(3)将所述的硼氢化钠溶液逐滴加入到醋酸锑溶液中，加热至60℃，并搅拌2h，充分还原，得到黑色絮体；
57.(4)将上述黑色絮体先用去离子水洗涤，再用无水乙醇洗涤后，在30℃下干燥12h，再与厚度为0.8mm的钠片按1:4的重量比擀压复合，制备出锑钠合金电极，作为负极材料。
58.本发明说明书实施例的上述说明使本领域技术人员能够实现或使用本发明。本发明将不会被限制于本实施例，而是符合与本发明所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。