炭硒复合物的制备方法

文档序号:1826002 发布日期:2021-11-12 浏览:23次 >En<

阅读说明:本技术 炭硒复合物的制备方法 (Preparation method of carbon-selenium compound ) 是由 黄祖朋 覃俊桦 戴永强 鲍莹 聂家鹏 于 2021-06-21 设计创作,主要内容包括:本发明公开了一种炭硒复合物的制备方法,包括以下步骤:步骤一、在无氧的条件下将炭粉、硒粉和硼氢化钠粉末混合并搅拌均匀;步骤二、在搅拌的条件下,向混合粉末加入除氧的去离子水,在无氧的条件下进行反应,以使硼氢化钠溶于水形成氢氧化钠溶液,并将硒粉还原为硒离子;步骤三、搅拌使得硒离子进入炭粉末的孔隙中;步骤四、将已嵌入炭粉末孔隙中的硒离子氧化成纳米硒粒;步骤五、将所述步骤四反应后的溶液过滤,将过滤物洗涤且烘干,得到炭硒复合物。本发明制备得到的硒粒子的粒径均匀,制备的炭硒电极一致性较好,因此在生产硒锂电池时也能保持较好的一致性,降低了电池的短板效应,提升了电池的循环寿命。(The invention discloses a preparation method of a carbon-selenium compound, which comprises the following steps: step one, mixing and uniformly stirring carbon powder, selenium powder and sodium borohydride powder under an oxygen-free condition; adding deoxidized deionized water into the mixed powder under the stirring condition, reacting under the oxygen-free condition to dissolve sodium borohydride in water to form sodium hydroxide solution, and reducing selenium powder into selenium ions; step three, stirring to enable selenium ions to enter pores of the carbon powder; oxidizing the selenium ions embedded into the pores of the carbon powder into nano selenium particles; and step five, filtering the solution obtained after the reaction in the step four, washing and drying the filtrate to obtain the carbon-selenium compound. The selenium particles prepared by the method have uniform particle size, and the prepared carbon selenium electrode has good consistency, so that the good consistency can be kept when the selenium lithium battery is produced, the short plate effect of the battery is reduced, and the cycle life of the battery is prolonged.)

炭硒复合物的制备方法

技术领域

本发明涉及电极材料领域,具体涉及一种炭硒复合物的制备方法。

背景技术

硒具有较高的导电率,以及与硫相当的体积比容量,是一种新型锂离子电池的正极材料,然而锂硒电池在充放电过程中存在穿梭效应,这在很大程度上影响了锂硒电池的电化学性能。利用炭材料与硒进行复合形成炭硒复合物的方法主要有研磨法和熔融法。研磨法通过将炭粉和硒粉颗粒混合后进行研磨,由于是在固体粉末状态下进行研磨,研磨得到的硒离子的粒径偏大,通常是微米级以上,导致硒离子的比表面积偏小,制备出来的炭硒电极的能量密度降低;同时,由于粒径较大,硒离子不能很好地进入炭粉末的空隙之中,炭硒材料的分散度较低,提升锂硒电池稳定性的效果非常有限。熔融法通过在反应炉将硒粉颗粒和炭粉末进行混合,然后通过高温将硒粉颗粒熔融成纳米粒子,再通过自由扩散方式使硒锂嵌入到炭粉末的空隙中,由于只能依赖于物质之间缓慢的自由扩散效应使炭粉和硒粒子进行混合,导致形成的炭硒复合物的硒粒子的粒径很不均匀,硒粒子进入炭粉空隙中的比例较低,制备出来的炭硒电极的能量密度降低,提升锂硒电池稳定性的效果非常有限。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种炭硒复合物的制备方法,旨在解决将现有制备方法得到的炭硒复合物应用于锂硒电池时,锂硒电池稳定性较差的问题。

为实现上述目的,本发明提出的一种炭硒复合物的制备方法,包括以下步骤:

步骤一、在无氧的条件下将炭粉、硒粉和硼氢化钠粉末混合并搅拌均匀;

步骤二、在搅拌的条件下,向混合粉末加入除氧的去离子水,在无氧的条件下进行反应,以使硼氢化钠溶于水形成氢氧化钠溶液,并将硒粉还原为硒离子;

步骤三、搅拌使得硒离子进入炭粉末的孔隙中;

步骤四、将已嵌入炭粉末孔隙中的硒离子氧化成纳米硒粒;

步骤五、将所述步骤四反应后的溶液过滤,将过滤物洗涤且烘干,得到炭硒复合物。

优选地,所述步骤一中的炭粉的粒径为5~10μm,孔隙率为30%~60%,微孔直径为400~500nm。

优选地,所述步骤一中的硒粉的粒径为80~100μm,所述硼氢化钠粉末的粒径为400~500μm。

优选地,所述步骤一中的硼氢化钠粉末和硒粉的摩尔比为2:1~10:1,所述炭粉和硒粉的质量比为1:1~10:1。

优选地,所述步骤一中的搅拌速度为30~300rpm,搅拌时间为1~5min。

优选地,所述步骤二中除氧的去离子水通过以下方法制备:将去离子水装入烧瓶中并将烧瓶口密封,采用注射器长针头向所述去离子水的水面以下通入氮气或氩气,同时在所述烧瓶口插入注射器短针头进行放气,持续30~60 min。

优选地,所述步骤二中的反应时间为20~60min。

优选地,所述步骤三的搅拌时间为5~24h。

优选地,所述步骤四中的氧化通过向反应体系插入注射器针头引入空气,氧化时间为12~24h。

优选地,所述步骤五的烘干温度为70~90℃,烘干时间为12~24h。

本发明技术方案中,在无氧的条件下将将炭粉、硒粉和硼氢化钠粉末混合并搅拌均匀后,保持搅拌的状态,加入除氧的去离子水,将硒粉在无氧的条件下还原为硒离子,搅拌使得硒离子均匀分散于炭粉末的孔隙中,然后将已嵌入炭粉末孔隙中的硒离子氧化成纳米硒粒,过滤、洗涤且烘干,得到炭硒复合物。由于硒粒子均匀分散于炭粉末的孔隙中,炭硒电极的稳定性提高,抑制了锂硒电池在充放电过程中存在的穿梭效应,且硒粒子以纳米级的尺寸存在,比表面积大,在充放电时单位质量条件下可进行电化学反应的硒原子/ 离子数量更多,提高了炭硒电极的能量密度;且充放电时硒离子的迁移速度较快,内阻较小,充放电的倍率性能提高,本发明制备得到的硒粒子的粒径均匀,制备的炭硒电极一致性较好,因此在生产硒锂电池时也能保持较好的一致性,降低了电池的短板效应,提升了电池的循环寿命。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

另外,在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外,各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种炭硒复合物的制备方法,包括以下步骤:

步骤一、在无氧的条件下将炭粉、硒粉和硼氢化钠粉末混合并搅拌均匀;

具体地,可在严格的无氧的气氛(如氮气、氩气)下将炭粉、硒粉和硼氢化钠粉末放置在烧杯等反应容器内,利用搅拌设备(如搅拌子)将上述粉末混合均匀,搅拌速度为30~300rpm,搅拌时间为1~5min。炭粉的粒径为 5~10μm,炭粉的孔隙率为30%~60%,炭粉的微孔直径为400~500nm。硒粉的粒径为80~100μm,硼氢化钠粉末的粒径为400~500μm。硼氢化钠粉末和硒粉的摩尔比为2:1~10:1,炭粉和硒粉的质量比为1:1~10:1。

步骤二、在搅拌的条件下,向混合粉末加入除氧的去离子水,在无氧的条件下进行反应,以使硼氢化钠溶于水形成氢氧化钠溶液,并将硒粉还原为硒离子;

其中,除氧的去离子水通过以下方法制备:将去离子水装入烧瓶中并将烧瓶口密封(可采用抽头和橡胶管进行严格密封),采用长度为20~30cm的注射器长针头向所述去离子水的水面以下不断通入氮气或氩气,同时用一个细短的注射器针头插在烧瓶口进行放气,持续30~60min,对去离子水进行充分除氧,并保持在无氧的气氛(如氮气、氩气)中。在搅拌的条件下,室温下利用注射器缓慢向烧瓶中加入上述已除氧的去离子水,使硼氢化钠溶于水形成氢氧化钠溶液,并将硒粉末进行还原,使硒粉末充分反应成硒离子状态,反应时间为20~60min,反应体系始终处于无氧条件下,使得硒粉末还原成硒离子状态,均匀分散于水溶液中。

步骤三、搅拌使得硒离子进入炭粉末的孔隙中;

其中,持续长时间搅拌5~24h,以使硒离子均匀分散于炭粉的孔隙中。

步骤四、将已嵌入炭粉末孔隙中的硒离子氧化成纳米硒粒;

具体通过将1mL的注射器针头自外向内插入上述反应体系中,使反应体系外的空气缓慢进入到反应体系中,并利用空气中的氧气将已充分嵌入炭粉末孔隙中的硒离子氧化成纳米硒粒,固化在炭粉的孔隙中,形成纳米级的炭硒复合物粗产物。其中,该步骤的氧化时间为12~24h。步骤四通过在反应体系中加入氧化剂,将硒离子氧化成纳米级的硒粒子,并固化于炭材料的孔隙中,形成稳定的炭硒复合物。

步骤五、将所述步骤四反应后的溶液过滤,将过滤物洗涤且烘干,得到炭硒复合物。

过滤后可用大量去离子水清洗滤饼3~5次,除去硼酸、硼酸盐等副产物,在70~90℃的烘箱中烘12~24h,将滤饼烘干后得到本实施例的炭硒复合物终产物。

本实施例通过将硒粉还原成硒离子,然后再氧化成硒粒子的间接方式制备硒粒子,通过加入水在溶液中搅拌的方式进行炭硒复合材料的制备,有利于将硒粒子进行充分分散、混合和融入炭粉的孔隙中。仅在室温下、烧瓶中通过搅拌等简单操作即可实现纳米级炭硒复合材料的制备,无需高压水热、高温熔融等苛刻条件,以及高温炉、反应釜等复杂仪器。将炭硒复合物中的硒粒子的粒径控制在纳米级,且粒径均匀。在严格无氧的条件下让硒材料能够以稳定的离子状态和炭粉末进行充分搅拌,不被氧化成硒粉末,让硒粒子充分融入进炭粉材料的孔隙之中,具有较高的分散度,提高炭硒电极的稳定性。硒粒子均匀分散于炭粉末的孔隙中,炭硒电极的稳定性会大大提高,抑制了锂硒电池在充放电过程中存在的穿梭效应,且硒粒子以纳米级的尺寸存在,比表面积大,在充放电时单位质量条件下可进行电化学反应的硒原子/离子数量更多,提高了炭硒电极的能量密度;且充放电时硒离子的迁移速度较快,内阻较小,充放电的倍率性能提高,本实用性制备得到的硒粒子的粒径均匀,制备的炭硒电极一致性较好,因此在生产硒锂电池时也能保持较好的一致性,降低了电池的短板效应,提升了电池的循环寿命。

以上仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是在本发明的构思下,利用本发明说明书内容所作的等效结构变换,或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

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