一種硫復合電極的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種硫復合電極的制備方法，特別是涉及一種利用硫化物的電化學氧化，將單質硫包覆在碳復合電極表面的方法，屬于先進復合電極的制備方法技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著社會和經濟的發展，人們對新型儲能設備提出了越來越高的要求。目前，市場上常用的鋰離子電池，由于具有較低的能量比密度，以及不能滿足人們在電動車領域的需求。限制電池的能量密度的主要問題是電極材料，因此，人們需要從將現有的正負極材料替換成具有更高能量密度的電極材料。在近幾十年的發展中，金屬氧化物以及合金負極得到了長足的發展，目前主要的瓶頸是缺乏高能量密度的正極材料。單質S，具有2.8伏(VsLi+)，且理論容量達到1680毫安時/克，是非常適合的電極材料。然而，單質S在充放電過程中會有體積膨脹，可溶性以及導電性差的缺點，從而限制了其具有較高的電化學性能。
[0003]目前，常用的對S電極改性的方法是材料復合化以及制備納米尺寸的電極材料。其中，復合改性具有更好的應用前景。但是目前的改性方法大部分都不適合大規模生產，而且需要進行精確的控制。因此，發展制備具有簡易且性能優秀的復合方法具有很高的研宄意義。硫化鈉的電化學沉積在產業化的脫硫方面具有很重要的作用，如果將其產物進一步應用與鋰離子電池，將具有更好的經濟效益。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種硫復合電極的制備方法，該方法具有步驟簡單成本低、形貌均勻、電化學性能優良等優點。
[0005]本發明的上述目的通過以下技術方案實現:硫化物通過電化學沉積形成單質硫，復合電極為硫球沉積在碳纖維表面；
[0006]上述硫復合電極的制備方法，選用硫化鈉和氫氧化鈉為反應物，碳纖維紙粘貼在石墨電極上作為陽極，通過電化學沉積，制備出表面附著單質硫鍍層的復合電極；然后經過沖洗、干燥得到硫復合電極，具體制備步驟如下:
[0007](I)配置0.02-0.8摩爾/升的硫化鈉水溶液和氫氧化鈉水溶液，其中硫化鈉和氫氧化鈉的摩爾濃度比為1:2 ；
[0008](2)將硫化鈉溶液和氫氧化鈉溶液分別置于電解槽的陽極室和陰極室，且用陽離子交換膜將兩者隔開，將碳纖維紙作為基體粘貼到石墨電極上作為陽極，同樣尺寸的石墨電極作為陰極；
[0009](3)通恒定電壓1-10伏的直流電0.1-10小時，將碳纖維紙經過沖洗、干燥后，從石墨電極上取下即可得到硫復合電極；
[0010]所述的碳纖維紙基體可以用石墨烯紙、碳布和金屬氧化物基板的一種替代，其復合電極的制備方法仍可適用；
[0011]所述的硫化鈉和氫氧化鈉為反應物可以為硫化鉀和氫氧化鉀替代，其復合電極的制備方法仍可適用；
[0012]所述的石墨電極可以用金及其合金電極或者鉑及其合金電極中的一種替代，其復合電極的制備方法仍可適用；
[0013]所述的制備步驟1-3可以重復幾次，且每重復一次復合電極表面就形成一層單質硫鍍層；
[0014]所述的硫化鈉溶液和氫氧化鈉溶液可以向里添加表面活性劑，保持電解液的穩定性。
[0015]本發明具有以下優點:
[0016]I)本發明的反應機理是硫化物通過電化學沉積形成單質硫，復合電極為硫球沉積在碳纖維表面；
[0017]2)本發明通過電化學沉積使單質硫以微米球的形式沉積在碳纖維表面，使得兩者之間接觸緊密，可以更好的提高導電性；
[0018]3)本發明通過簡單的恒定電壓操作就可以完成單質硫的電化學沉積，具有工藝簡單，成本低的優點。
[0019]4)本發明不需要特殊的化學試劑，工藝簡單，綠色環保，并最終降低了制造成本和工藝復雜度。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明制備的硫復合電極的X射線衍射分析。
[0021]圖2為本發明制備的硫復合電極的場發射電鏡形貌。
[0022]圖3為本發明制備的硫復合電極在前50次充放電曲線，電流密度為200毫安/克。
[0023]圖4為本發明制備的硫復合電極的循環性能曲線，電流密度為600毫安/克。
【具體實施方式】
[0024]實施例一
[0025](I)配置0.02-0.8摩爾/升的硫化鈉水溶液和氫氧化鈉水溶液，其中硫化鈉和氫氧化鈉的摩爾濃度比為1:2 ；
[0026](2)將硫化鈉溶液和氫氧化鈉溶液分別置于電解槽的陽極室和陰極室，且用陽離子交換膜將兩者隔開，將碳纖維紙作為基體粘貼到石墨電極上作為陽極，同樣尺寸的石墨電極作為陰極；
[0027](3)通恒定電壓1-3伏的直流電0.5-8小時，將碳纖維紙經過沖洗、干燥后，從石墨電極上取下即可得到硫復合電極。
[0028]實施例二
[0029](I)配置0.1-0.5摩爾/升的硫化鈉水溶液和氫氧化鈉水溶液，其中硫化鈉和氫氧化鈉的摩爾濃度比為1:2 ；
[0030](2)將硫化鈉溶液和氫氧化鈉溶液分別置于電解槽的陽極室和陰極室，且用陽離子交換膜將兩者隔開，將石墨烯紙作為基體粘貼到石墨電極上作為陽極，同樣尺寸的石墨電極作為陰極；
[0031](3)通恒定電壓1-6伏的直流電1-8小時，將石墨烯紙經過沖洗、干燥后，從石墨電極上取下即可得到硫復合電極。
[0032]實施例三
[0033](I)配置0.1-0.5摩爾/升的硫化鉀水溶液和氫氧化鉀水溶液，其中硫化鉀和氫氧化鉀的摩爾濃度比為1:2 ；
[0034](2)將硫化鉀和氫氧化鉀溶液分別置于電解槽的陽極室和陰極室，且用陽離子交換膜將兩者隔開，將碳纖維紙作為基體粘貼到石墨電極上作為陽極，同樣尺寸的石墨電極作為陰極；
[0035](3)通恒定電壓1-6伏的直流電1-8小時，將碳纖維紙經過沖洗、干燥后，從石墨電極上取下即可得到硫復合電極。
[0036]實施例四
[0037](I)配置0.02-0.8摩爾/升的硫化鈉水溶液和氫氧化鈉水溶液，其中硫化鈉和氫氧化鈉的摩爾濃度比為1:2 ；
[0038](2)將硫化鈉溶液和氫氧化鈉溶液分別置于電解槽的陽極室和陰極室，且用陽離子交換膜將兩者隔開，將碳纖維紙作為基體粘貼到石墨電極上作為陽極，同樣尺寸的石墨電極作為陰極；
[0039](3)通恒定電壓1-3伏的直流電0.5-8小時，將碳纖維紙經過沖洗、干燥后，從石墨電極上取下即可得到硫復合電極；
[0040](4)將硫復合電極通過石墨烯包覆可以獲得石墨烯改性的復合電極。
[0041]實施例五
[0042](I)配置0.02-0.8摩爾/升的硫化鈉水溶液和氫氧化鈉水溶液，其中硫化鈉和氫氧化鈉的摩爾濃度比為1:2 ；
[0043](2)將硫化鈉溶液和氫氧化鈉溶液分別置于電解槽的陽極室和陰極室，且用陽離子交換膜將兩者隔開，將碳纖維紙作為基體粘貼到石墨電極上作為陽極，同樣尺寸的石墨電極作為陰極；
[0044](3)通恒定電壓1-3伏的直流電0.5-8小時，將碳纖維紙經過沖洗、干燥后，從石墨電極上取下即可得到硫復合電極；
[0045](4)將硫復合電極通過鎳磷合金包覆可以獲得鎳磷合金改性的復合電極。
[0046]以上僅僅是本發明的較佳實施例子，根據本發明的上述構思，本領域的熟練人員還可對此作出各種修改與改良，例如，工藝參數如水或有機溶劑的選擇以及幾種溶劑混合的比值、鹽類的物質的量與活性物質的物質量的比等調整；操作條件如反應溫度、反應時間的改變；后期石墨烯，無定形碳以及合金都材料的復合改性等。
【主權項】
1.一種硫復合電極的制備方法，其特征在于: 該方法以碳纖維紙作為基體，選用硫化鈉和氫氧化鈉為反應物，碳纖維紙粘貼在石墨電極上作為陽極，通過電化學沉積在碳纖維表面形成單質硫的鍍層，而不需要額外添加乙炔黑和粘結劑；然后經過沖洗、干燥得到硫復合電極，具體制備步驟如下: (1)配置0.02-0.8摩爾/升的硫化鈉水溶液和氫氧化鈉水溶液，其中硫化鈉和氫氧化鈉的摩爾濃度比為1:2 ； (2)將硫化鈉溶液和氫氧化鈉溶液分別置于電解槽的陽極室和陰極室，且用陽離子交換膜將兩者隔開，將碳纖維紙作為基體粘貼到石墨電極上作為陽極，同樣尺寸的石墨電極作為陰極； (3)通恒定電壓1-10伏的直流電0.1-10小時，將碳纖維紙經過沖洗、干燥后，從石墨電極上取下即可得到硫復合電極。
2.根據權利要求1所述的一種硫復合電極的制備方法，其特征在于: 所述碳纖維紙基體用石墨烯紙、碳布和金屬氧化物基板中的一種替代，其復合電極的制備方法仍可適用。
3.根據權利要求1所述的一種硫復合電極的制備方法，其特征在于: 所述硫化鈉和氫氧化鈉用硫化鉀和氫氧化鉀替代，其復合電極的制備方法仍可適用。
4.根據權利要求1所述的一種硫復合電極的制備方法，其特征在于: 所述的石墨電極用金及其合金電極或者鉑及其合金電極替代，其復合電極的制備方法仍可適用。
5.根據權利要求1所述的一種硫復合電極的制備方法，其特征在于: 所述的制備步驟(1)-(3)重復幾次，且每重復一次復合電極表面就形成一層單質硫鍍層O
6.根據權利要求1所述的一種硫復合電極的制備方法，其特征在于: 所述的硫化鈉溶液和氫氧化鈉溶液內添加表面活性劑，保持電解液的穩定性。
7.根據權利要求1所述的一種硫復合電極的制備方法，其特征在于: 配置0.02-0.8摩爾/升的硫化鈉水溶液和氫氧化鈉水溶液，通恒定電壓1-3伏的直流電需0.5-8小時；配置0.1-0.5摩爾/升的硫化鈉水溶液和氫氧化鈉水溶液，通恒定電壓1-6伏的直流電需1-8小時。
8.根據權利要求1所述的一種硫復合電極的制備方法，其特征在于: 配置0.02-0.8摩爾/升的硫化鈉水溶液和氫氧化鈉水溶液，通恒定電壓1-3伏的直流電需0.5-8小時，將得到的硫復合電極通過石墨稀包覆獲得石墨稀改性的復合電極。
9.根據權利要求1所述的一種硫復合電極的制備方法，其特征在于: 配置0.02-0.8摩爾/升的硫化鈉水溶液和氫氧化鈉水溶液，通恒定電壓1-3伏的直流電需0.5-8小時，將得到的硫復合電極通過镲磷合金包覆獲得镲磷合金改性的復合電極。
10.根據權利要求3所述的一種硫復合電極的制備方法，其特征在于: 配置0.1-0.5摩爾/升的硫化鉀水溶液和氫氧化鉀水溶液，通恒定電壓1-6伏的直流電需1-8小時。
【專利摘要】本發明公開了一種硫復合電極的制備方法，屬于先進復合電極的制備方法技術領域。制備方法以碳纖維紙為基體，選用硫化鈉和氫氧化鈉為反應物，包括以下步驟：(1)配置0.02-0.8摩爾每升的硫化鈉水溶液和氫氧化鈉水溶液，其中硫化鈉和氫氧化鈉的摩爾濃度比為1:2；(2)將硫化鈉溶液和氫氧化鈉溶液分別置于電解槽的陽極室和陰極室，且用陽離子交換膜將兩者隔開；(3)將碳纖維紙作為基體粘貼到石墨電極上作為陽極，同樣尺寸的石墨電極作為陰極，通恒定電壓，最后經過沖洗、干燥后獲得由單質硫鍍層包覆的碳纖維復合電極。該方法不僅可以制得包覆均勻、產物形貌可控的硫復合電極，而且具有生產工藝簡單、綠色、成本低等特點。
【IPC分類】C25D9-06, H01M4-04
【公開號】CN104617253
【申請號】CN201510053470
【發明人】王慧遠, 楊治政, 盧綸, 鐘曉斌, 姜啟川, 王金國, 劉國軍
【申請人】吉林大學
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年2月2日