一种硫复合电极的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种硫复合电极的制备方法，特别是涉及一种利用硫化物的电化学氧化，将单质硫包覆在碳复合电极表面的方法，属于先进复合电极的制备方法技术领域。
【背景技术】
[0002]随着社会和经济的发展，人们对新型储能设备提出了越来越高的要求。目前，市场上常用的锂离子电池，由于具有较低的能量比密度，以及不能满足人们在电动车领域的需求。限制电池的能量密度的主要问题是电极材料，因此，人们需要从将现有的正负极材料替换成具有更高能量密度的电极材料。在近几十年的发展中，金属氧化物以及合金负极得到了长足的发展，目前主要的瓶颈是缺乏高能量密度的正极材料。单质S，具有2.8伏(VsLi+)，且理论容量达到1680毫安时/克，是非常适合的电极材料。然而，单质S在充放电过程中会有体积膨胀，可溶性以及导电性差的缺点，从而限制了其具有较高的电化学性能。
[0003]目前，常用的对S电极改性的方法是材料复合化以及制备纳米尺寸的电极材料。其中，复合改性具有更好的应用前景。但是目前的改性方法大部分都不适合大规模生产，而且需要进行精确的控制。因此，发展制备具有简易且性能优秀的复合方法具有很高的研宄意义。硫化钠的电化学沉积在产业化的脱硫方面具有很重要的作用，如果将其产物进一步应用与锂离子电池，将具有更好的经济效益。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种硫复合电极的制备方法，该方法具有步骤简单成本低、形貌均匀、电化学性能优良等优点。
[0005]本发明的上述目的通过以下技术方案实现:硫化物通过电化学沉积形成单质硫，复合电极为硫球沉积在碳纤维表面；
[0006]上述硫复合电极的制备方法，选用硫化钠和氢氧化钠为反应物，碳纤维纸粘贴在石墨电极上作为阳极，通过电化学沉积，制备出表面附着单质硫镀层的复合电极；然后经过冲洗、干燥得到硫复合电极，具体制备步骤如下:
[0007](I)配置0.02-0.8摩尔/升的硫化钠水溶液和氢氧化钠水溶液，其中硫化钠和氢氧化钠的摩尔浓度比为1:2 ；
[0008](2)将硫化钠溶液和氢氧化钠溶液分别置于电解槽的阳极室和阴极室，且用阳离子交换膜将两者隔开，将碳纤维纸作为基体粘贴到石墨电极上作为阳极，同样尺寸的石墨电极作为阴极；
[0009](3)通恒定电压1-10伏的直流电0.1-10小时，将碳纤维纸经过冲洗、干燥后，从石墨电极上取下即可得到硫复合电极；
[0010]所述的碳纤维纸基体可以用石墨烯纸、碳布和金属氧化物基板的一种替代，其复合电极的制备方法仍可适用；
[0011]所述的硫化钠和氢氧化钠为反应物可以为硫化钾和氢氧化钾替代，其复合电极的制备方法仍可适用；
[0012]所述的石墨电极可以用金及其合金电极或者铂及其合金电极中的一种替代，其复合电极的制备方法仍可适用；
[0013]所述的制备步骤1-3可以重复几次，且每重复一次复合电极表面就形成一层单质硫镀层；
[0014]所述的硫化钠溶液和氢氧化钠溶液可以向里添加表面活性剂，保持电解液的稳定性。
[0015]本发明具有以下优点:
[0016]I)本发明的反应机理是硫化物通过电化学沉积形成单质硫，复合电极为硫球沉积在碳纤维表面；
[0017]2)本发明通过电化学沉积使单质硫以微米球的形式沉积在碳纤维表面，使得两者之间接触紧密，可以更好的提高导电性；
[0018]3)本发明通过简单的恒定电压操作就可以完成单质硫的电化学沉积，具有工艺简单，成本低的优点。
[0019]4)本发明不需要特殊的化学试剂，工艺简单，绿色环保，并最终降低了制造成本和工艺复杂度。
【附图说明】
[0020]图1为本发明制备的硫复合电极的X射线衍射分析。
[0021]图2为本发明制备的硫复合电极的场发射电镜形貌。
[0022]图3为本发明制备的硫复合电极在前50次充放电曲线，电流密度为200毫安/克。
[0023]图4为本发明制备的硫复合电极的循环性能曲线，电流密度为600毫安/克。
【具体实施方式】
[0024]实施例一
[0025](I)配置0.02-0.8摩尔/升的硫化钠水溶液和氢氧化钠水溶液，其中硫化钠和氢氧化钠的摩尔浓度比为1:2 ；
[0026](2)将硫化钠溶液和氢氧化钠溶液分别置于电解槽的阳极室和阴极室，且用阳离子交换膜将两者隔开，将碳纤维纸作为基体粘贴到石墨电极上作为阳极，同样尺寸的石墨电极作为阴极；
[0027](3)通恒定电压1-3伏的直流电0.5-8小时，将碳纤维纸经过冲洗、干燥后，从石墨电极上取下即可得到硫复合电极。
[0028]实施例二
[0029](I)配置0.1-0.5摩尔/升的硫化钠水溶液和氢氧化钠水溶液，其中硫化钠和氢氧化钠的摩尔浓度比为1:2 ；
[0030](2)将硫化钠溶液和氢氧化钠溶液分别置于电解槽的阳极室和阴极室，且用阳离子交换膜将两者隔开，将石墨烯纸作为基体粘贴到石墨电极上作为阳极，同样尺寸的石墨电极作为阴极；
[0031](3)通恒定电压1-6伏的直流电1-8小时，将石墨烯纸经过冲洗、干燥后，从石墨电极上取下即可得到硫复合电极。
[0032]实施例三
[0033](I)配置0.1-0.5摩尔/升的硫化钾水溶液和氢氧化钾水溶液，其中硫化钾和氢氧化钾的摩尔浓度比为1:2 ；
[0034](2)将硫化钾和氢氧化钾溶液分别置于电解槽的阳极室和阴极室，且用阳离子交换膜将两者隔开，将碳纤维纸作为基体粘贴到石墨电极上作为阳极，同样尺寸的石墨电极作为阴极；
[0035](3)通恒定电压1-6伏的直流电1-8小时，将碳纤维纸经过冲洗、干燥后，从石墨电极上取下即可得到硫复合电极。
[0036]实施例四
[0037](I)配置0.02-0.8摩尔/升的硫化钠水溶液和氢氧化钠水溶液，其中硫化钠和氢氧化钠的摩尔浓度比为1:2 ；
[0038](2)将硫化钠溶液和氢氧化钠溶液分别置于电解槽的阳极室和阴极室，且用阳离子交换膜将两者隔开，将碳纤维纸作为基体粘贴到石墨电极上作为阳极，同样尺寸的石墨电极作为阴极；
[0039](3)通恒定电压1-3伏的直流电0.5-8小时，将碳纤维纸经过冲洗、干燥后，从石墨电极上取下即可得到硫复合电极；
[0040](4)将硫复合电极通过石墨烯包覆可以获得石墨烯改性的复合电极。
[0041]实施例五
[0042](I)配置0.02-0.8摩尔/升的硫化钠水溶液和氢氧化钠水溶液，其中硫化钠和氢氧化钠的摩尔浓度比为1:2 ；
[0043](2)将硫化钠溶液和氢氧化钠溶液分别置于电解槽的阳极室和阴极室，且用阳离子交换膜将两者隔开，将碳纤维纸作为基体粘贴到石墨电极上作为阳极，同样尺寸的石墨电极作为阴极；
[0044](3)通恒定电压1-3伏的直流电0.5-8小时，将碳纤维纸经过冲洗、干燥后，从石墨电极上取下即可得到硫复合电极；
[0045](4)将硫复合电极通过镍磷合金包覆可以获得镍磷合金改性的复合电极。
[0046]以上仅仅是本发明的较佳实施例子，根据本发明的上述构思，本领域的熟练人员还可对此作出各种修改与改良，例如，工艺参数如水或有机溶剂的选择以及几种溶剂混合的比值、盐类的物质的量与活性物质的物质量的比等调整；操作条件如反应温度、反应时间的改变；后期石墨烯，无定形碳以及合金都材料的复合改性等。
【主权项】
1.一种硫复合电极的制备方法，其特征在于: 该方法以碳纤维纸作为基体，选用硫化钠和氢氧化钠为反应物，碳纤维纸粘贴在石墨电极上作为阳极，通过电化学沉积在碳纤维表面形成单质硫的镀层，而不需要额外添加乙炔黑和粘结剂；然后经过冲洗、干燥得到硫复合电极，具体制备步骤如下: (1)配置0.02-0.8摩尔/升的硫化钠水溶液和氢氧化钠水溶液，其中硫化钠和氢氧化钠的摩尔浓度比为1:2 ； (2)将硫化钠溶液和氢氧化钠溶液分别置于电解槽的阳极室和阴极室，且用阳离子交换膜将两者隔开，将碳纤维纸作为基体粘贴到石墨电极上作为阳极，同样尺寸的石墨电极作为阴极； (3)通恒定电压1-10伏的直流电0.1-10小时，将碳纤维纸经过冲洗、干燥后，从石墨电极上取下即可得到硫复合电极。
2.根据权利要求1所述的一种硫复合电极的制备方法，其特征在于: 所述碳纤维纸基体用石墨烯纸、碳布和金属氧化物基板中的一种替代，其复合电极的制备方法仍可适用。
3.根据权利要求1所述的一种硫复合电极的制备方法，其特征在于: 所述硫化钠和氢氧化钠用硫化钾和氢氧化钾替代，其复合电极的制备方法仍可适用。
4.根据权利要求1所述的一种硫复合电极的制备方法，其特征在于: 所述的石墨电极用金及其合金电极或者铂及其合金电极替代，其复合电极的制备方法仍可适用。
5.根据权利要求1所述的一种硫复合电极的制备方法，其特征在于: 所述的制备步骤(1)-(3)重复几次，且每重复一次复合电极表面就形成一层单质硫镀层O
6.根据权利要求1所述的一种硫复合电极的制备方法，其特征在于: 所述的硫化钠溶液和氢氧化钠溶液内添加表面活性剂，保持电解液的稳定性。
7.根据权利要求1所述的一种硫复合电极的制备方法，其特征在于: 配置0.02-0.8摩尔/升的硫化钠水溶液和氢氧化钠水溶液，通恒定电压1-3伏的直流电需0.5-8小时；配置0.1-0.5摩尔/升的硫化钠水溶液和氢氧化钠水溶液，通恒定电压1-6伏的直流电需1-8小时。
8.根据权利要求1所述的一种硫复合电极的制备方法，其特征在于: 配置0.02-0.8摩尔/升的硫化钠水溶液和氢氧化钠水溶液，通恒定电压1-3伏的直流电需0.5-8小时，将得到的硫复合电极通过石墨稀包覆获得石墨稀改性的复合电极。
9.根据权利要求1所述的一种硫复合电极的制备方法，其特征在于: 配置0.02-0.8摩尔/升的硫化钠水溶液和氢氧化钠水溶液，通恒定电压1-3伏的直流电需0.5-8小时，将得到的硫复合电极通过镲磷合金包覆获得镲磷合金改性的复合电极。
10.根据权利要求3所述的一种硫复合电极的制备方法，其特征在于: 配置0.1-0.5摩尔/升的硫化钾水溶液和氢氧化钾水溶液，通恒定电压1-6伏的直流电需1-8小时。
【专利摘要】本发明公开了一种硫复合电极的制备方法，属于先进复合电极的制备方法技术领域。制备方法以碳纤维纸为基体，选用硫化钠和氢氧化钠为反应物，包括以下步骤：(1)配置0.02-0.8摩尔每升的硫化钠水溶液和氢氧化钠水溶液，其中硫化钠和氢氧化钠的摩尔浓度比为1:2；(2)将硫化钠溶液和氢氧化钠溶液分别置于电解槽的阳极室和阴极室，且用阳离子交换膜将两者隔开；(3)将碳纤维纸作为基体粘贴到石墨电极上作为阳极，同样尺寸的石墨电极作为阴极，通恒定电压，最后经过冲洗、干燥后获得由单质硫镀层包覆的碳纤维复合电极。该方法不仅可以制得包覆均匀、产物形貌可控的硫复合电极，而且具有生产工艺简单、绿色、成本低等特点。
【IPC分类】C25D9-06, H01M4-04
【公开号】CN104617253
【申请号】CN201510053470
【发明人】王慧远, 杨治政, 卢纶, 钟晓斌, 姜启川, 王金国, 刘国军
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年2月2日