[發(fā)明專利]一種高性能鎳鋅電池負(fù)極活性材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910801115.3
• 申請日: 2019-08-28
• 公開（公告）號: CN110581264B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 熊煥明;朱澤陽;魏濟(jì)時(shí)
• 申請（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/583;H01M10/30;B82Y30/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發(fā)明屬于能源與材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種高性能鎳鋅電池負(fù)極活性材料及其制備方法。本發(fā)明的負(fù)極活性材料為一種具有團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的碳點(diǎn)/氧化鋅納米復(fù)合材料。其制備方法包括：向堿性水溶液中滴加碳點(diǎn)和鋅鹽的混合水溶液，加熱反應(yīng)至有大量產(chǎn)物析出，冷卻并離心反應(yīng)液得到沉淀物，將沉淀洗滌、烘干；將沉淀物在氮?dú)夥諊屑訜崽幚恚频锰键c(diǎn)/氧化鋅納米復(fù)合材料。本發(fā)明的碳點(diǎn)/氧化鋅納米復(fù)合材料具有多方面的優(yōu)點(diǎn)：比表面積大、晶格缺陷多、導(dǎo)電性好、比容量高、抗腐蝕性強(qiáng)；在鎳鋅電池中，表現(xiàn)出極好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，具有優(yōu)秀的安全性和長期的穩(wěn)定性，可應(yīng)用于電化學(xué)儲(chǔ)能的許多領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于能源與材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及鎳鋅電池負(fù)極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

近年來，能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整突顯了電能清潔、便利、高效、廣泛實(shí)用的優(yōu)勢地位，而利用具有高容量與優(yōu)異循環(huán)性能的二次電池來對電能實(shí)現(xiàn)有效存儲(chǔ)、運(yùn)輸和使用顯得尤為重要。現(xiàn)有的二次電池體系，都存在著一些難以解決的問題，比如鉛酸電池污染嚴(yán)重、功率和能量密度低；鎳氫電池的工作電壓低、儲(chǔ)氫負(fù)極價(jià)格昂貴；鋰電池的有機(jī)電解液易燃易爆，以及鋰、鈷礦資源儲(chǔ)量不足。相比之下，水系鋅離子電池，如鎳鋅電池具有安全系數(shù)高、功率密度高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)而成為新一代電池體系中有力的競爭者。目前，該類電池的短板主要集中于鋅負(fù)極材料，因而提升該類電極的性能對推動(dòng)相關(guān)電池的發(fā)展與應(yīng)用具有重要意義。

以鎳鋅電池為例，其亟待解決的關(guān)鍵性難題基本集中于負(fù)極氧化鋅材料易溶解、易腐蝕、導(dǎo)電性能不佳等問題。其結(jié)果將直接導(dǎo)致電池材料的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能堪憂。以商業(yè)氧化鋅材料為例，當(dāng)電流密度從1A/g提升至10A/g時(shí)，其容量的保持率僅剩40%左右。在1A/g的電流密度下，100圈循環(huán)后，其容量保持率僅剩30%左右。而有效解決負(fù)極的這些問題，將對制備高性能鎳鋅電池具有重要的意義與價(jià)值。相關(guān)研究表明，碳復(fù)合工藝相對可靠，例如在制備負(fù)極時(shí)引入碳納米管或者炭黑等碳材料。然而，此類復(fù)合材料的導(dǎo)電性能與耐腐蝕性雖有一定的提升，但其倍率性能與大電流下的循環(huán)性能仍有待提升。

碳點(diǎn)，作為一種新型的零維碳納米材料，其具有價(jià)格低廉、制備簡便、分散性好、導(dǎo)電性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。相關(guān)研究及本發(fā)明顯示，碳點(diǎn)可以對氧化鋅電極材料具有調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)，提升電子電導(dǎo)率，抑制自腐蝕等多方面的作用。進(jìn)而使其倍率性能與循環(huán)性能分別提升近30%和50%。對比相關(guān)研究結(jié)果，該發(fā)明基本解決了傳統(tǒng)氧化鋅電極材料存在的主要缺點(diǎn)，為鎳鋅電池的開發(fā)提供了極為有力的支持。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有鎳鋅電池負(fù)極活性材料性能不足的問題而提供一種具有極好倍率性能和循環(huán)性能的鎳鋅電池負(fù)極活性材料及其制備方法。

本發(fā)明提供的鎳鋅電池負(fù)極活性材料，是一種由碳點(diǎn)和氧化鋅復(fù)合形成的納米團(tuán)簇（記為碳點(diǎn)/氧化鋅納米材料），其結(jié)構(gòu)具有以下特征：

（1）碳點(diǎn)的直徑為1~10納米，其內(nèi)部是石墨化的、導(dǎo)電性能良好的碳，外部具有多種有機(jī)功能團(tuán)和缺陷結(jié)構(gòu)，能夠和氧化鋅材料緊密的結(jié)合在一起；

（2）碳點(diǎn)/氧化鋅納米復(fù)合材料的表面碳層厚度為10~90納米，在煅燒后形成獨(dú)特的球形團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，其粒徑為500~5000納米，其表層具有垂直于球面且向外的棒狀結(jié)構(gòu)，納米材料整體呈刺球狀，表面具有氧空位或鋅空位。

本發(fā)明的鎳鋅電池負(fù)極活性材料的制備方法，結(jié)合溶膠-凝膠法和高溫煅燒處理技術(shù)，具體步驟如下：

（1）將碳點(diǎn)加入到鋅鹽溶液中，混合并攪拌，配制得到碳點(diǎn)/鋅鹽混合溶液；將該混合溶液滴加至堿溶液中，在50~85℃溫度下，回流1~12小時(shí)，自然冷卻至室溫，通過離心反應(yīng)液得到固體沉淀，洗滌除去未反應(yīng)的雜質(zhì)，將洗凈的沉淀物烘干；

（2）在氮?dú)夥諊校瑢⒊恋砦镌?00~600℃下熱處理1~3小時(shí)，得到碳點(diǎn)/氧化鋅復(fù)合材料。具體如將烘干的沉淀物放入坩堝內(nèi)，將坩堝置于管式爐中，在氮?dú)夥諊屑訜崽幚?~3小時(shí)。