[發明專利]水系鋅鈷電池正極材料

在審

• 申請號: 202011438622.4
• 申請日: 2020-12-10
• 公開（公告）號: CN113161542A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 孫小華;劉秋恒;李鳴;黃延清;陳善華;周琳翔;趙大福
• 申請（專利權）人: 三峽大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M10/38;H01M10/42;C01B25/37;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 成鋼

本發明公開了一種水系鋅鈷電池正極材料，包括有電池正極材料，負極材料和電解質溶液。所述的正極材料是在三維基底上長出的納米片狀磷酸鈷，所述的負極為鋅片，所述電解液為一定濃度的氫氧化鉀和可溶性鋅鹽水溶液。與現有的技術相比，本發明首次將過渡金屬磷酸鹽復合材料應用于水系鋅鈷電池體系，通過泡沫鎳上原位制備的磷酸鈷擁有高比表面積的納米片狀結構，具有高比容量和良好的循環穩定性，且制備工藝簡單，適合用于大規模生產。

技術領域

本發明屬于高能水系電池技術領域，具體涉及到一種高能水系鋅鈷電池正極材料。

背景技術

隨著人類社會的進步和電子設備的普及，以及低碳環保的電動交通的大力推廣，人類對于二次電池的需求越來越大。二次電池是一種高效儲能裝置，可以實現重復充放電和循環使用，與一次電池相比二次電池具有污染小成本低等特點。目前主要的二次電池技術包括鎳鉻電池、鎳氫電池、鉛酸電池和鋰離子電池等等。鎳鉻電池和鉛酸電池出現的較早，但都存在容量較低和使用壽命較短的缺點，并且電池里的重金屬對環境會造成巨大的污染，所用發展前景有限。鋰離子電池是目前應用最為廣泛的一類電池，但與此同時對鋰的需求量快速增長，而全球鋰的儲量有限，導致價格迅速上漲，不符合低成本需求，且鋰離子電池使用的有機電解液易燃，存在很大的安全問題。

而水系鋅鈷電池則是近年來興起的二次電池，相比于鎳鉻電池和鉛酸電池，它具有更高的電池容量和更長的使用壽命，且沒有重金屬不會對環境造成很大的危害。與鋰離子電池相比，鋅的儲量比鋰要豐富，成本上會比鋰離子電池低很多，而且電解質是氫氧化鉀的水溶液，不會引起燃燒和爆炸，安全性相對較高，在大型儲能領域具備很高的潛在價值。通過水熱法制備的磷酸鈷納米片具有很大的比表面積，增強了離子可及性并且縮短了離子擴算途徑，加快了電子傳導，導致了更高的比容量，并且減少面容量損失，導致更長的循環穩定性。

發明內容

本發明的目的是提供一種水系鋅鈷電池。該電池組成包括電池正極材料，負極材料和電解質溶液。電池的正極材料是一種在三維基底上均勻生長的納米片狀磷酸鈷復合材料，它具有原材料豐富、穩定性好和比容量高等特點。該方法反應條件溫和，成本低廉，可運用于大規模生產。電池的負極材料是鋅片，電解液是一定濃度的氫氧化鉀和可溶性鋅鹽水溶液，可以有效的防止電池的腐蝕和鈍化問題。

本發明所述的水系鋅鈷電池包括電池正極材料、負極材料和電解液，所述的正極材料為三維基底上長出的納米片狀磷酸鈷，所述的負極材料為鋅片，所述的電解質包括一定濃度的氫氧化鉀和可溶性鋅鹽水溶液。

本發明所述的正極材料為磷酸鈷材料，該材料為Co₃(PO₄)₂。

水系鋅鈷電池正極材料的制備方法包括如下步驟：

室溫條件下將鈷鹽、磷酸鹽混合后溶于去離子水中，所得溶液轉入放有三維基底材料的水熱釜中進行水熱反應，待冷卻后，將泡沫鎳取出沖洗、烘干，得到生長在三維基底的磷酸鈷材料。

本發明所述正極材料制備時使用的鈷鹽和磷酸鹽濃度為0.0001~0.5mol/L。

本發明所述正極材料制備時使用的鈷鹽包括硝酸鈷、氯化鈷、硫酸鈷或醋酸鈷。

本發明所述正極材料制備時使用的磷酸鹽包括磷酸二氫銨、磷酸二氫鉀或磷酸二氫鈉。

本發明所述正極材料制備時溶液體積為高壓反應釜體積的50%~90%。

本發明所述的水熱反應溫度條件為：100℃~200℃下反應1~36h。

本發明所述的正極材料制備時在50~80℃下干燥1~12h，得到水系鋅鈷電池正極材料。

本發明所述的正極材料制備時所用的三維基底包括碳紙、泡沫鎳、鈦合金網或不銹鋼網中的任意一種。

本發明所述的負極材料為鋅片、鋅箔或鋅粉。