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CN114242957B - 锡基硫化物钠离子电池负极片的制备方法及其应用 - Google Patents

锡基硫化物钠离子电池负极片的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锡基硫化物钠离子电池负极片的制备方法及其应用，包括将合金箔与氧化气体加热反应，得到纳米多孔的金属箔，合金箔为铜锡合金或铝锡合金，氧化气体为氯气或氯气与惰性气体的混合气，将金属箔置于有机溶剂中，再向有机溶剂中加入四氯化锡和有机硫化物，在惰性气氛下加热反应，即得锡基硫化物钠离子电池负极片。本发明将打造好的合金箔与氯气反应，合金箔中铝被氧化形成致密氧化膜，铜不与氯气反应，实现锡的去合金化，得到纳米多孔的金属箔，利用溶剂热法制得二硫化锡，且二硫化锡以金属箔的纳米孔为模板进行镶嵌，避免了后续负极材料的涂布过程，且嵌入结构紧密，不会产生脱粉的现象，提升了其作为负极材料使用时的循环性能。

Description

锡基硫化物钠离子电池负极片的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于钠离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种锡基硫化物钠离子电池负极片的制备方法及其应用。
背景技术
在二十世纪七、八十年代，钠离子电池与锂离子电池的研究几乎处于同一水平，然而石墨负极在锂离子电池中的成功应用直接促进了其商业化进程，钠离子电池却至今仍未实现产业化突破，瓶颈之一是缺少合适的实用化负极材料。近几年钠离子电池的研究相继取得重要的进展，其中负极材料的研究主要集中于碳材料以及一些非碳材料(金属及氧化物材料、合金材料及磷等)。非碳材料对锂和钠都表现出高的存储容量，但是由于导电率低、体积变化大和易粉化等问题，即便在商业化程度很高的锂离子电池中仍未获得大规模应用，上述问题在钠离子电池中同样存在。
基于钠离子电池的特点，其正负极的集流体均可使用铝箔，而不像锂离子电池正极为铝箔、负极为铜箔，故此钠离子电池的成本要低于锂离子电池。
钠离子电池正负极片的制作与锂离子电池相同，都需要在有机溶剂下进行涂布，在使用过程中还可能造成脱粉的现象。
相关技术公开了一种三维海胆/多孔复合结构锂离子电池铜/氧化铜/二氧化锡/碳负极，由三维纳米多孔铜、氧化铜膜、二氧化锡和碳组成，氧化铜膜是由三维纳米多孔铜表面部分氧化形成的连续膜，氧化铜膜将三维纳米多孔铜包裹，二氧化锡被碳包裹，碳包裹的二氧化锡在氧化铜膜包裹的三维纳米多孔铜外表面形成具有海胆结构的碳包裹的二氧化锡层。其简化了锂离子电池负极的生产工艺，避免活性组分在锂离子电池充放电过程中脱落，有效提高锂离子电池负极的循环性能和倍率性能。然而，此法仅能应用于锂离子电池铜箔上，对于铝箔则无法适用。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种锡基硫化物钠离子电池负极片的制备方法及其应用，该负极片集流体可以为铜，也可以为铝，且无需涂布，避免了材料的脱粉。
根据本发明的一个方面，提出了一种锡基硫化物钠离子电池负极片的制备方法，包括以下步骤：
S1：将合金箔与氧化气体加热反应，洗涤，得到纳米多孔的金属箔，所述合金箔为铜锡合金或铝锡合金，所述氧化气体为氯气或氯气与惰性气体的混合气；反应过程中，锡与氯气生成四氯化锡，铝被氧化形成致密氧化膜，铜不与氯气反应，从而实现锡的去合金化。
S2：将所述金属箔置于有机溶剂中，再向所述有机溶剂中加入四氯化锡和有机硫化物，在惰性气氛下加热反应，即得所述锡基硫化物钠离子电池负极片。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述合金箔中锡原子的含量占比为15-50％。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述氧化气体中氯气的体积分数为10-100％。进一步地，所述惰性气体为氮气或氩气。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述反应的温度为70-80℃。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述合金箔为共熔融制得。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述有机硫化物为正十二硫醇、叔十二硫醇、硫脲、苯基硫脲、二苯基二硫醚或半胱氨酸中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述有机溶剂为十六碳、十八碳、二十碳或二十二碳的不饱和脂肪酸或不饱和脂肪胺中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述有机硫化物与四氯化锡的摩尔比为(2-4)：1。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述反应的温度为220-290℃。进一步地，所述反应的时间为10-30分钟。所述惰性气体为氮气或氩气。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述反应结束后，还包括将所述锡基硫化物钠离子电池负极片进行洗涤的步骤，所述洗涤是先用水洗，再用正己烷、环己烷、甲基环己烷、甲苯、四氢呋喃、环庚烷、异丙醇、正丙醇或乙醇中的至少一种洗涤。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述四氯化锡为步骤S1所述反应生成的四氯化锡。
本发明还提供所述的制备方法在钠离子电池中的应用。
根据本发明的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：
1、本发明利用锡与氯气的高反应活性且生成的四氯化锡为液体的特点，将打造好的合金箔与氯气反应，合金箔中铝被氧化形成致密氧化膜，铜不与氯气反应，从而实现锡的去合金化，得到纳米多孔的金属箔。
2、由于铝在热水反应，将金属箔置于有机溶剂中，利用溶剂热法制得二硫化锡，且二硫化锡以金属箔的纳米孔为模板进行镶嵌，避免了后续负极材料的涂布过程，且嵌入结构紧密，不会产生脱粉的现象，整个反应没有产生水分，进一步提高了二硫化锡的结晶度，提升了其作为负极材料使用时的循环性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明实施例1中去除锡的铝箔片表面SEM图；
图2为本发明实施例1制备的锡基硫化物钠离子电池负极片表面SEM图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例制备了一种锡基硫化物钠离子电池负极片，包括纳米多孔的铝箔以及镶嵌在铝箔上的二硫化锡。具体制备过程为：
(1)将铝锡合金制成钠离子电池负极集流体金属箔所需规格，合金箔中锡原子的含量占比为15％；
(2)将1.2g合金箔置于密闭的玻璃塔内，并向玻璃塔内通入干燥的氧化气体，氧化气体为氯气和氮气的混合气，氯气的体积分数为90％，控制塔内反应温度为70-80℃，反应过程中，锡与氯气生成四氯化锡，铝被氧化形成致密氧化膜，从而实现锡的去合金化，得到纳米多孔的铝箔；
(3)步骤(2)反应结束后，取出铝箔用去离子水洗涤、干燥后，质量为0.61g，置于20mL油胺中；
(4)将步骤(2)生成的四氯化锡取0.8g加入到油胺中，并加入1.58g正十二硫醇；
(5)在氮气氛围下，进行加热，并控制反应温度为290℃，反应时间为20分钟；
(6)步骤(5)反应结束后，取出铝箔，并用去离子水洗涤后，再用正己烷洗涤，干燥后即得锡基硫化物钠离子电池负极片，质量为1.13g。
实施例2
本实施例制备了一种锡基硫化物钠离子电池负极片，包括纳米多孔的铝箔以及镶嵌在铝箔上的二硫化锡。具体制备过程为：
(1)将铝锡合金制成钠离子电池负极集流体金属箔所需规格，合金箔中锡原子的含量占比为20％；
(2)将1.36g合金箔置于密闭的玻璃塔内，并向玻璃塔内通入干燥的氧化气体，氧化气体为氯气和氩气的混合气，氯气的体积分数为80％，控制塔内反应温度为70-80℃，反应过程中，锡与氯气生成四氯化锡，铝被氧化形成致密氧化膜，从而实现锡的去合金化，得到纳米多孔的铝箔；
(3)步骤(2)反应结束后，取出铝箔用去离子水洗涤、干燥后，质量为0.606g，置于30mL油胺中；
(4)将步骤(2)生成的四氯化锡1.2g加入到油胺中，并加入12.5g硫脲；
(5)在氮气氛围下，进行加热，并控制反应温度为260℃，反应时间为30分钟；
(6)步骤(5)反应结束后，取出铝箔，并用去离子水洗涤后，再用乙醇洗涤，干燥后即得锡基硫化物钠离子电池负极片，质量为1.38g。
实施例3
本实施例制备了一种锡基硫化物钠离子电池负极片，包括纳米多孔的铜箔以及镶嵌在铜箔上的二硫化锡。具体制备过程为：
(1)将铜锡合金制成钠离子电池负极集流体金属箔所需规格，合金箔中锡原子的含量占比为30％；
(2)将2.8g合金箔置于密闭的玻璃塔内，并向玻璃塔内通入干燥的氧化气体，氧化气体为氯气，控制塔内反应温度为70-80℃，得到纳米多孔的铜箔；
(3)步骤(2)反应结束后，取出铜箔用去离子水洗涤、干燥后，质量为1.57g，置于40mL油胺中；
(4)将步骤(2)生成的四氯化锡1.8g加入到油胺中，并加入1.8g硫脲；
(5)在氩气氛围下，进行加热，并控制反应温度为220℃，反应时间为30分钟；
(6)步骤(5)反应结束后，取出铜箔，并用去离子水洗涤后，再用正丙醇洗涤，干燥后即得锡基硫化物钠离子电池负极片，质量为2.77g。
试验例
取实施例1-3制得的锡基硫化物钠离子电池负极片，分别组装成钠离子半电池，在200mA/g高电流密度下，测试其循环性能，结果如表1所示。
首次放电克容量mAh/g 100圈循环后克容量mAh/g
实施例1 721.6 683.5
实施例2 742.8 699.7
实施例3 694.2 657.3
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (9)

1.一种锡基硫化物钠离子电池负极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将合金箔与氧化气体加热反应，洗涤，得到纳米多孔的金属箔，所述合金箔为铜锡合金或铝锡合金，所述氧化气体为氯气或氯气与惰性气体的混合气；
S2：将所述金属箔置于有机溶剂中，再向所述有机溶剂中加入四氯化锡和有机硫化物，在惰性气氛下加热反应，即得所述锡基硫化物钠离子电池负极片；
步骤S1中，所述反应的温度为70-80℃。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述合金箔中锡原子的含量占比为15-50％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述氧化气体中氯气的体积分数为10-100％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述有机硫化物为正十二硫醇、叔十二硫醇、硫脲、苯基硫脲、二苯基二硫醚或半胱氨酸中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述有机溶剂为十六碳、十八碳、二十碳或二十二碳的不饱和脂肪酸或不饱和脂肪胺中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述有机硫化物与四氯化锡的摩尔比为(2-4)：1。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述反应的温度为220-290℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述反应结束后，还包括将所述锡基硫化物钠离子电池负极片进行洗涤的步骤，所述洗涤是先用水洗，再用正己烷、环己烷、甲基环己烷、甲苯、四氢呋喃、环庚烷、异丙醇、正丙醇或乙醇中的至少一种洗涤。
9.权利要求1-8任一项所述的制备方法在钠离子电池中的应用。
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