[發明專利]一種二次鋅基電池用納米Zn@C負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201810761644.0
• 申請日: 2018-07-12
• 公開（公告）號: CN109119604A
• 公開（公告）日: 2019-01-01
• 發明（設計）人: 李慶陽;涂小慧;李衛
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/36;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 陳燕嫻

本發明屬于電池材料領域，具體涉及一種二次鋅基電池用納米Zn@C負極材料及其制備方法。所述負極材料中C為納米碳材料，其厚度為50～100μm，Zn晶粒尺寸為20～80nm；所述制備方法包括以下步驟：將納米碳材料加入納米鋅鍍液中進行電鍍，然后水洗、吹干，即得到所述納米Zn@C負極材料；電鍍可以采用直流、高頻正向脈沖電流或高頻雙向脈沖電流；所述納米鋅鍍液包括硫酸鋅、硼酸和晶粒細化劑，pH為1～3，溶劑為水。本發明制備的負極材料結合力良好，經90°彎曲試驗20次無鋅脫落，枝晶生長抑制能力強，且具有優異的比容量、循環壽命、庫倫效率和倍率性能，經放大實驗證明效果良好，適合大規模工業生產。

技術領域

本發明屬于電池材料領域，具體涉及一種二次鋅基電池用納米Zn@C負極材料及其制備方法。

背景技術

隨著能源問題的日益凸顯，開發新型可再生能源(例如，光電、風電和水電等)成為各國科研工作者致力研究的課題。二次電池作為一種清潔高效的電化學能源存儲裝置在民用、國防以及航空航天等大型儲能領域具有很高的應用價值和發展前景。現有的二次電池體系中(鎳氫電池、鉛酸電池、鋰離子電池、鈉離子電池、鎳鎘電池、超級電容器以及鋅基電池)，鋅基電池是唯一可同時實現大功率快速充放電、且具有高能量密度、高功率密度、安全環保、低成本的二次水系電池，被認為是電能轉換和大規模存儲的首選技術之一。這主要歸功于鋅作為二次電池負極電化學反應活性物質，不但是可以從水溶液中高效還原的元素中標準電勢最低的元素，還是水溶液里能夠穩定存在的元素中能量密度最高的元素，同時還具有環境友好、資源豐富、價格低廉、制備工藝簡單等特點。

盡管二次鋅基電池用具有如此誘人的發展前景，但是目前商業化鋅負極(鋅板電極和鋅粉末電極)在電池充放電反應過程中容易形成枝晶，不僅會刺穿電池隔膜造成電池短路，而且還會從電極表面脫落造成電池容量衰減，嚴重縮短了二次鋅基電池用的循環壽命。目前抑制鋅枝晶生長的常見措施主要包括：對電解液、隔膜、充電方式、以及鋅負極材料的改進。其中，對電解液的改進是通過加入添加劑來抑制枝晶生長；對隔膜的改進是通過使用特殊隔膜來物理阻斷枝晶生長；對充電方式的改進則是通過交流或脈沖充電方式對已形成的枝晶進行溶解。雖然，三者都能夠在一定程度上減緩鋅枝晶的生長，但都沒有從根本上解決鋅枝晶的形成問題。

具體的，康飛宇等在文獻“Enhancement on cycle performance of Zn anodesby activated carbon modification for neutral rechargeable zinc ion batteries”中制備了鋅粉末與活性炭的復合電極，在電池充電反應過程中，Zn²⁺優先在活性炭的孔洞中還原，從而抑制了鋅在電極表面的沉積和生長，極大的改善了鋅負極的電化學反應動力學和可逆性。但是，該鋅-活性炭復合電極的制作較為繁瑣，需采用涂布法或研磨法將鋅粉、電極添加劑、導電劑、粘結劑制備成厚度均一的電極片，因此成本較高。為此，吳宇平在“AnAqueous Rechargeable Zn//Co₃O₄ Battery with High Energy Density and GoodCycling Behavior”中提出了一種基于碳纖維表面電沉積鋅制備核殼結構鋅-碳纖維復合電極的新方法，該方法兼具了致密電極簡單、易制和多孔電極高孔隙率、高比表面積等優勢，相比傳統鋅板電極，鋅-碳纖維復合電極有效地抑制了電極循環反應過程中的枝晶生長，這歸因于碳纖維的高比表面積為電極反應提供了更多的活性位點，以及更加有效的離子擴散場。然而，其所使用的鋅材料和碳纖維材料僅是傳統的微米級尺寸材料，限制了負極材料整體的比表面積和平整度，電池的循環性能仍有待進一步提高。

發明內容

為解決現有技術的缺點和不足之處，本發明提供了一種二次鋅基電池用納米Zn@C負極材料及其制備方法。