[發明專利]一種二氧化錳/醌聚合物復合材料的制備方法及其鋅離子存儲應用

在審

• 申請號: 202210987677.3
• 申請日: 2022-08-17
• 公開（公告）號: CN115347181A
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發明（設計）人: 胡林峰;龐睿呂婧;葉飛;劉強;劉揚
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01M4/50
• 分類號: H01M4/50;H01M4/62;H01M10/36
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明提供了一種二氧化錳/醌聚合物復合材料及其制備方法和應用。其制備方法主要為：采用界面氧化聚合方法，以高錳酸鉀為氧化劑，醌單體為還原劑，一步制備二氧化錳/醌聚合物復合材料，并對其進行洗滌和烘干處理。本發明通過醌聚合物的輔助作用，顯著增強二氧化錳材料在充放電過程中的可逆溶解沉積，使制備得到的二氧化錳/醌聚合物復合材料作為水系鋅離子二次電池正極具有417 mAh g^?1左右的比容量，對水系鋅離子電池正極材料的開發應用有巨大價值。

技術領域

本發明涉及一種復合材料的制備方法及其應用，尤其涉及一種“二氧化錳/醌聚合物”復合材料的制備方法及其鋅離子存儲應用。

背景技術

為了緩解化石燃料對氣候變化、環境污染和生活質量的巨大影響，業界迫切需求新的可持續能源。同時，太陽能、風能等可再生能源的間歇性特征要求發展低成本、可擴展的能源存儲技術。二次電池被認為是最高效的儲能技術，已被廣泛應用于便攜式電子產品、電動汽車和電網儲能。盡管鋰離子電池目前在電動汽車和便攜式電子設備的市場中占據主導地位，但由于成本較高、使用壽命有限、安全隱患等原因，其在電網儲能領域的應用才剛剛起步。其他現有的二次電池如鈉硫、鉛酸電池、氧化還原液流電池等也逐漸應用于電網存儲，但它們同樣存在難以克服的障礙。相比之下，易于制造、容量高、安全性好的水系離子電池作為一種新的電網存儲技術，具有鋅金屬負極儲量豐富、理論比容量高且在水系穩定性好，電解液體系安全環保等眾多優勢，吸引了大量研究者和產業人員的興趣。

當前水系鋅離子二次電池仍處于發展初期，限制其實際應用的重要原因之一是缺乏具有高比容量和高能量密度的正極材料。基于此前研究，水系鋅離子二次電池正極常用的二氧化錳材料普遍存在比容量低、電化學穩定性差的問題影響了電極高能量密度的實現。

發明內容

發明目的：本發明旨在提供一種具有高比容量和高能量密度的二氧化錳/醌聚合物復合材料的制備方法；本發明的另一目的旨在提供所述二氧化錳/醌聚合物復合材料作為水系鋅離子二次電池正極材料的應用。

技術方案：本發明所述的二氧化錳/醌聚合物復合材料的制備方法，包括以下步驟：

（1）將氧化性錳源與醌單體分別溶于去離子水和有機溶劑中，并通過滴加的方式將氧化性錳源的水溶液逐滴加入醌有機溶液中，有機溶液保持均速攪拌；

（2）所述氧化性錳源與醌單體的摩爾比為1：（1-10）；滴加過程結束后，繼續攪拌，隨后，對產物進行洗滌和烘干處理，得到二氧化錳/醌聚合物復合材料。

進一步地，步驟（1）中，所述氧化性錳源為高錳酸鉀、錳酸鉀或高錳酸鈉中的一種；所述醌單體為1,5-二氨基蒽醌、1-二氨基蒽醌或1,4-二氨基蒽醌中的一種；所述有機溶劑為N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮中的一種；氧化性錳源水溶液的濃度為（0.003-0.3）mol/L；所述滴加時間為2-10 h；攪拌速率為200-500 轉/min。

進一步地，步驟（2）中，攪拌時間為12-48 h；所述烘干溫度為60~80 ℃，干燥時間為12~24 h。

所述制備方法制得的二氧化錳/醌聚合物復合材料作為正極材料組裝成鋅離子二次電池的方法，步驟包括：將得到的二氧化錳/醌聚合物復合材料與導電劑、粘結劑混合，以溶劑分散攪拌得到電極漿料，并涂布于不銹鋼箔上經烘干、沖片后得到電池正極；利用此電池正極、鋅金屬負極、硫酸鋅/硫酸錳混合溶液和隔膜組裝紐扣電池進行電化學測試；其中，二氧化錳/醌聚合物復合材料與導電劑、粘結劑混合質量比為(7-8)：（1-2）：（0.5-1）。

進一步地，所述粘結劑為聚偏氟乙烯；所述導電劑為科琴黑；所述溶劑為N-甲基吡咯烷酮；所述硫酸鋅/硫酸錳混合溶液中硫酸鋅濃度為2 mol/L，硫酸錳濃度為0.1-1 mol/L；所述隔膜為玻璃纖維隔膜。

進一步地，所述涂布后的不銹鋼箔烘干溫度為60-120℃，烘干時間為12-24 h。