[發明專利]一種超高容量鋅鈷電池正極及其自活化制備方法

有效

• 申請號: 202111182425.5
• 申請日: 2021-10-11
• 公開（公告）號: CN113921810B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發明（設計）人: 談鵬;尚文旭;俞文濤;馬彥義;何義
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H01M4/52
• 分類號: H01M4/52;H01M10/36;B82Y40/00
• 代理公司: 北京東方盛凡知識產權代理有限公司 11562
• 代理人: 張換君

本發明公開了一種超高容量鋅鈷電池正極及其自活化制備方法，屬于鋅鈷電池技術領域，所述超高容量鋅鈷電池正極具有二級超細納米片結構，第一級納米片長度為10μm，第二級超細納米片厚度為1.7～6nm；所述鋅鈷電池正極用于鋅鈷電池中，電池放電容量可以達到402.5～482.2mAh/g，本發明的超高容量鋅鈷電池正極二級超細納米片結構創造了具有大量活性位點的超高比表面和有利于物質和電子傳輸及電解質滲透的多孔結構，增強了充放電過程中電子的轉移能力，用于鋅鈷電池中放電容量可以達到482.2mAh/g。

技術領域

本發明涉及鋅鈷電池技術領域，特別是涉及一種超高容量鋅鈷電池正極及其自活化制備方法。

背景技術

鋅鈷電池是一種以金屬鋅為負極、鈷基氧化物為正極、中性或堿性水溶液為電解液的電池。在放電時，電池中發生金屬鋅的溶解和鈷基氧化物的還原反應；而在充電時，發生金屬鋅的沉積和鈷基氧化物的氧化反應。從而，電池可以實現多次充放電。鋅鈷電池具有較高的放電電壓(～1.8V)，能量密度可以達到500Wh/kg，而且電極和電解液材料安全性好，被認為是一種極具有發展潛力的電池。

由于四氧化三鈷(Co₃O₄)具有較高的理論容量(446mAh/g)，被廣泛應用于鋅鈷電池的正極中。對于目前已經報道的電池正極材料，如四氧化三鈷納米片(Adv.Mater.2016,28,4904)，由于尺寸較大(～270nm)，導電性能不佳，導致實際放電容量僅為162mAh/g；四氧化三鈷納米團簇(Appl.Catal.B-Environ.2019,241,104)，尺寸達到微米級(～5.7μm)，但與電解液浸潤性不佳，導致實際放電容量僅為173.6mAh/g。限制鋅鈷電池正極材料容量的原因主要有兩個方面：1)較差的形貌結構導致電極比表面積小，與電解質之間的浸潤性差；2)價態利用能力差，在充放電過程中向低價態和高價態轉化的空間小，導致電子轉移能力不足。

發明內容

為了解決鋅鈷電池正極材料利用率低所導致的實際容量較低的問題，本發明提供了一種超高容量鋅鈷電池正極及其自活化制備方法，可實現電池的高電化學性能。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種超高容量的鋅鈷電池正極，具有二級超細納米片結構，第一級納米片長度為10μm，第二級超細納米片厚度為1.7～6nm；所述鋅鈷電池正極具有優異的價態轉化能力：所述鋅鈷電池正極用于鋅鈷電池中，電池放電容量可以達到402.5～482.2mAh/g。

本發明提供了一種所述超高容量鋅鈷電池正極的自活化制備方法，包括以下步驟：

(1)將傳統四氧化三鈷納米片電極組裝到帶有透氣孔的鋅鈷電池中；

(2)將所述鋅鈷電池以3.0A/g的電流密度進行充放電；

(3)以步驟(2)的充放電條件循環100～200次，得到活化后超高容量鋅鈷電池電極。

進一步地，所述傳統四氧化三鈷納米片電極的制備方法，包括以下步驟：

將六水硝酸鈷、氟化銨和尿素溶于去離子水中，攪拌，制得前驅體溶液；將泡沫鎳集流體置于前驅體溶液中，進行水熱反應，制得負載前驅體的集流體；將所述負載前驅體的集流體洗凈，干燥，煅燒，隨爐冷卻至室溫。

進一步地，所述六水硝酸鈷、氟化銨和尿素的摩爾比為1：9：16。

進一步地，所述水熱反應溫度為120℃，時間為9小時。

進一步地，所述干燥溫度為60℃，干燥時間為3小時；升溫速率為1℃/min，所述煅燒溫度為350℃，煅燒時間為3小時。

進一步地，所述傳統四氧化三鈷納米片電極上四氧化三鈷載量為2.2mg/cm²。