[發明專利]自支撐電極、其制備方法與鋅離子電池

在審

• 申請號: 202011301922.8
• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號: CN112421022A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 周航;黃媛;張吉延
• 申請（專利權）人: 北京大學深圳研究生院
• 主分類號: H01M4/50
• 分類號: H01M4/50;H01M4/62;H01M4/04;H01M10/36
• 代理公司: 深圳市深佳知識產權代理事務所(普通合伙) 44285
• 代理人: 夏歡

本發明提供了自支撐電極，由MnO₂、碳納米管和聚丙烯酸制備得到。本申請還提供了自支撐電極的制備方法，本申請還提供了一種鋅離子電池。本發明為了減少使用集流體而導致電極質量能量密度下降的問題，以碳納米管(CNT)改善二氧化錳(MnO₂)的導電性，同時使用聚丙烯酸(PAA)增加電極機械韌性和柔韌性，通過真空抽濾法制備自支撐電極。該方法可以有效地避免由于使用集流體引起的電池質量能量密度的降低。

技術領域

本發明涉及電池技術領域，尤其涉及自支撐電極、其制備方法與鋅離子電池。

背景技術

通常情況下電池電極需要將電池活性物質產生的電流匯集起來以便形成較大的電流對外輸出，而這種匯集電流的載體被叫做集流體。在儲能器件中集流體主要指金屬箔如銅箔、鋁箔和不銹鋼等，而隨著儲能器件逐漸相柔性化發展，集流體的材料也隨之發生變化，碳布、碳紙等具有柔韌性的導電介質正在逐步替代金屬箔片。然而集流體往往不會參與電池的儲能反應，這就意味著使用集流體會大大減少電池的質量容量和體積容量。因此為了滿足不斷發展的柔性儲能器件，需要具有高機械強度和大容量的自支撐電極。自支撐電極是指不需要集流體的電極。

目前自支撐電極仍集中于碳基材料如碳納米管或碳納米纖維的網絡結構，該網絡結構的優勢在于可以提供離子快速傳輸的納米孔洞，且具有較高的比表面積。而活性物質則通過不同方式附著在導電碳基材料上，最原始的方式是直接涂敷法，也有使用抽濾法、原位聚合法、氣相沉積法等方式制備自支撐電極。公開號為CN 109786673 A的中國專利使用碳納米管按預定比例混合分散于水溶液中，靜電作用下使得鈷源中的鈷離子吸附到碳納米管上，然后加入碳酸鹽溶液，反應預定時間生成錨定在碳納米管上的碳酸鈷，再進行真空抽濾、干燥形成適用于鋰離子電池的柔性薄膜電極。公開號為CN110783526 A中國專利使用超長碳納米管、石墨烯、固態電解質和正極/負極活性物質通過真空抽濾法制備得到適用于鋰離子電池的自支撐，該電極省去了粘結劑和集流體的使用。

目前自支撐電極的使用多用于超級電容和鋰離子電池，對于應用于鋅錳離子電池的自支撐電極研究較少。在制備自支撐電極的過程中如不使用粘結劑會出現活性物質粉末脫落的問題，并且自支撐電極在抽濾薄膜從濾紙上分離過程中，很難做到完整剝離。

發明內容

本發明解決的技術問題在于提供一種自支撐電極，其穩定性好，不會出現電極活性物質脫落的問題。

有鑒于此，本申請提供了自支撐電極，由MnO₂、碳納米管和聚丙烯酸制備得到。

優選的，所述MnO₂、碳納米管和聚丙烯酸的質量比為(4～7)：(4～1)：1。

優選的，所述MnO₂、碳納米管和聚丙烯酸的質量比為4.5:4.5:1、6:3:1或7:2:1。

本申請還提供了所述的自支撐電極的制備方法，包括以下步驟：

將MnO₂粉末、碳納米管水溶液和聚丙烯酸混合，得到混合液；

將所述混合液進行真空抽濾，將得到的混合薄膜剝離后退火，得到自支撐電極。

優選的，所述混合的過程具體為：

在碳納米管水溶液中加入MnO₂粉末后再加入聚丙烯酸。

優選的，所述真空抽濾的濾紙的孔徑為0.2～0.5μm，所述真空抽濾的抽濾時間為0.5～1h。

優選的，所述剝離的過程具體為：

將得到的混合薄膜置于乙醇中靜置。

優選的，所述退火的溫度為200～500℃，時間為1～4h。