[發明專利]一種新型水系鋅離子電池的鋅負極材料的制備及應用

在審

• 申請號: 202210047098.0
• 申請日: 2022-01-17
• 公開（公告）號: CN114361376A
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 王金國;林顯森;葛林恒;劉偉良;喬從德;姚金水;張獻
• 申請（專利權）人: 齊魯工業大學
• 主分類號: H01M4/02
• 分類號: H01M4/02;H01M4/04;H01M4/60;H01M10/04
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本發明涉及一種新型水系鋅離子電池的鋅負極材料的制備及應用。該鋅負極材料制備方法為：在室溫下，將聚氯乙烯和三氟甲烷磺酸鋅溶于極性溶劑中，形成制備電極材料的前驅液。用簡單的刮涂法將前驅液刮涂在鋅金屬基片表面制備新型鋅負極。聚氯乙烯中的氯原子基團可以成為引導鋅沉積的活性位點，誘導均勻的鋅沉積，減少腐蝕反應，同時也可以抑制枝晶形成，提高庫倫效率，提高電池的電化學性能和循環壽命。

技術領域

本發明屬于水系鋅離子電池領域，特別涉及一種新型水系鋅離子電池的鋅負極材料制備方法及應用。

背景技術

可充電水系鋅離子電池由于具有高理論容量、低氧化還原電位、高豐度和本質安全等優點備受關注。不幸的是，將金屬鋅用作負極時，在重復循環過程中無法控制的枝晶生長和副反應以及析氫等問題可能會導致電池的內部短路并導致損壞，這對其商業應用構成了嚴峻的挑戰。為克服這些障礙，人們提出了如氧化石墨烯、碳納米管、碳纖維等具有導電網絡結構的碳材料作為鋅負極材料，雖然這些碳材料能部分抑制枝晶生長，但生產成本較高，工序復雜，限制了經濟型水系鋅離子電池的發展。

發明內容

針對上述現有技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種新型水系鋅離子電池的鋅負極材料制備方法，并應用于鋅負極，旨在用簡單的方法解決負極枝晶問題，提高電池的循環穩定性。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種新型水系鋅離子電池的鋅負極材料為聚氯乙烯和三氟甲烷磺酸鋅的混合物。

聚氯乙烯具有較寬的分子量，分子鏈上有極性氯原子官能團，介電常數高，有較好的離子電導率，與金屬基材料有優異的黏結性，同時還能與其他聚合物共混。

一種新型水系鋅離子電池的鋅負極材料的制備方法為：在室溫下，將稱取的聚氯乙烯和三氟甲烷磺酸鋅置于裝有極性溶劑的玻璃瓶中，加熱攪拌一定時間，形成混合溶液。

優選的，按質量比，聚氯乙烯：三氟甲烷磺酸鋅：極性溶劑= 1~3:1~3:15~60混合。

優選的，所用聚氯乙烯的分子量為58000~80000。

優選的，所用極性溶劑為N,N-二甲基甲酰胺，N,N-二甲基乙酰胺，二甲基亞砜，四氫呋喃，二氯甲烷，丙酮中的一種或幾種。

優選的，攪拌加熱溫度為 70~85℃，最佳攪拌時間為 2h。

進一步優選的，所述獲得的鋅負極材料在水系鋅離子電池負極中應用。

進一步優選的，所述鋅負極材料在水系鋅離子電池負極中應用，制備方法如下：用移液槍吸取一定體積的制備好的聚合物溶液，涂覆到一定面積的打磨鋅片上，用不同厚度的刮刀將涂覆液刮涂均勻，60 ℃真空干燥12小時，得到鋅負極電極片。

進一步優選的，所述鋅負極電極片制備中聚合物涂覆液的體積為3~5mL,所述刮刀厚度為200~400μm。

與現有技術相比，本發明的優勢在于：

1.本發明通過在聚氯乙烯中摻入三氟甲烷磺酸鋅并制備成涂覆液涂覆于金屬鋅片表面成膜。該膜可以減少水與鋅基體直接接觸，減少副反應，同時膜表面的部分三氟甲烷磺酸鋅在電解液中會溶解，增加了鋅離子與膜的接觸面積；

2. 本發明所用的聚合物為聚氯乙烯，介電常數高，離子電導率高，而且親水性好，能與鋅金屬緊密貼合，聚合物鏈上的氯原子基團能夠誘導鋅離子沿著聚合物鏈進行遷移，均勻了離子通量，引導鋅離子均勻沉積，抑制鋅枝晶的形成，進一步提升電池的長循環穩定性和壽命。

附圖說明：

圖1為本發明實施例1的聚氯乙烯-三氟甲烷磺酸鋅改性鋅表面的掃面電鏡圖片；

圖2為本發明實施例1的聚氯乙烯-三氟甲烷磺酸鋅改性鋅/鋅對稱電池在電流密度1mA cm^-2下的恒電流循環圖；