[发明专利]一种有三维导电网络的一体化电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电极制备领域，尤其涉及一种有三维导电网络的一体化电极的制备方法。

背景技术

一体化电极是指不使用粘结剂、活性材料与集流体紧密接触、能直接用于能源存储与转化的电极。这种类型的电极通常有开放的骨架结构、较大的活性材料与集流体的粘附力、无惰性粘结剂附着等特点，使得一体化电极有高稳定结构，大比表面积、丰富的电化学活性位点等优势，表现出优于常规方法制备出的电极电化学性能，已被广泛应用在锂/钠离子电池、超级电容器、金属-空气电池、电催化析氢等能源存储与转化的装置中，参见：Dudney,N.J.；Li,J.Science,2015,347,131；Ellis,B.L.et al.,Adv.Mater.,2014,26,3368；T.Y.Ma,etal.,J.Am.Chem.Soc.2014,136,13925。

目前的一体化电极构筑方法主要有化学沉积法、气相沉积法等。这些方法制备的电极活性材料的多样性和形貌多样性通常受到所选基底的限制，得到的电极也常常缺乏导电网络或者后续的导电网络构筑方法比较复杂，不能得到大面积的一体化电极。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种简便、高效、成本低、可用于大面积制备的有三维导电网络一体化电极的制备方法。

本发明的技术方案：

一种有三维导电网络的一体化电极的制备方法，步骤如下：

1)将粘性碳基化合物、电极活性物质或电极活性物质前驱体，按一定的质量比加入溶剂中得到混合浆料；

2)将上述混合浆料均匀涂布在集流体上，涂布厚度为1-50μm，在50-80℃下真空干燥以使溶剂完全挥发，得到所述一体化电极前驱体；

3)将上述一体化电极前驱体在惰性气氛氮气或氩气中，以1-6℃min^-1的速率升温到490-800℃，保温1-360min后自然降温到室温，得到上述有三维导电网络的一体化电极。

所述步骤1)中粘性碳基化合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、和苯乙烯-丁二烯共聚物中的一种或两种以上任意比例的混合物；所述电极活性物质为过渡金属单质锡和锑、以及过渡金属锰、铁、钴、镍、铜、锡、锑、钼和钨的氧化物、硫化物中的一种或两种以上任意比例的混合物；所述电极活性物质前驱体为过渡金属锰、铁、钴、镍、铜、锡、锑、钼和钨的氢氧化物或碳酸盐中的一种或两种以上任意比例的混合物；溶剂为水、乙醇、二甲基甲酰胺、丙酮和N-甲基吡咯烷酮的一种或两种以上任意比例的混合物；粘性碳基化合物、活性物质或活性物质前驱体与溶剂的质量比为0.25-1：1：1-2。

所述步骤2)中集流体为铜箔、镍箔、钛箔、铁箔、泡沫铜、泡沫镍、泡沫钛或泡沫铁。

本发明的机理分析：

该有三维导电网络一体化电极是通过粘性碳基化合物将活性材料固定在集流体表面，然后在惰性气氛中碳化得到。本发明中粘性碳基化合物的碳化产物将活性材料包裹并将其固定在集流体表面。活性物质颗粒与活性物质颗粒之间，活性物质颗粒与集流体之间均有粘性碳基化合物的碳化产物连接并作为电子传导的有效载体，提供活性物质在能源存储与转化过程中电子转移的媒介。同时，在碳化过程中，粘性碳基化合物会产生气体，体积收缩，产生大量的孔洞结构，这些孔洞方便电解液的浸润与流动，提供了离子传输的通道。因而，利用本发明制备的一体化电极能同时高效转移电子和离子，无需其他添加剂的帮助就能实现电化学反应的快速发生和完成。

本发明的有益效果是：

目前一体化电极的活性物质种类及其形貌常受到所选基底的制约和影响，同时缺少有效的导电网络或者后续导电网络的构筑比较复杂，电极制备程序繁琐、成本高、面积小，阻碍了一体化电极的大规模应用。本发明在一体化电极中构建出供电子传输的三维导电网络，制备过程简单、成本低、基底的选择和活性物质的种类与形貌互不影响，可大面积制备，适合扩大生产。

附图说明

图1是有三维导电网络的一体化电极的构筑示意图。

图2是制备的以锰氧化物为活性物质的有三维导电网络的一体化电极的照片。

图3是以锰氧化物为活性物质的有三维导电网络的一体化电极的X射线衍射图谱(a)和扫描电镜照片(b)。

图4是以锰氧化物为活性物质的有三维导电网络的一体化电极中锰氧化物的透射电镜照片(TEM)，其中(a)为相邻两颗MnO_X@C的TEM图，(b)单颗MnO_X@C的高倍TEM图。