[发明专利]一种锌镍电池的负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于能源、化工及材料技术领域，具体涉及一种锌镍二次电池的负极材料及其制备方法。更具体地，本发明涉及一种锌镍二次电池的负极材料，它主要包含一种采用原位烧结方法获得的碳纤维/氧化锌/锌纳米复合材料、粘结剂和集流体。本发明还涉及所述锌镍二次电池的负极材料的制备方法。本发明的锌镍二次电池的负极材料可以用于电动汽车、电动工具等的动力电池及太阳能、核能等的贮能电池。

背景技术

随着世界能源危机的出现，寻求新能源的呼声愈来愈高，无污染、低成本的如太阳能、风能、核能等绿色新能源正受到高度重视，不少城市规划将电动机车、轻轨机车、电瓶车等用作未来主要交通公具。因此，世界各国都投入极大的人力、物力和财力，发展新型电化学能量转换及贮存技术，如贮氢材料及金属氢化物镍蓄电池、锂离子蓄电池、燃料电池、超级电容器等。但目前采用的动力电池和贮能电池的放电效率和循环寿命都较低，其中含有的铂、金、锂等稀有贵重金属化合物价格昂贵，难于大规模生产，蓄电池大多含有铅、隔等有毒有害物质，废电池容易带来二次污染。

锌镍电池与镉镍电池、铅酸电池等比较，具有比能量高(55～85Wh/kg)、比功率大(可超过200W/kg)、开路电压高达1175V、工作温度范围宽广(-20～60℃)、可大电流充电、原材料丰富且成本低、不会造成环境污染等突出优点，可以用作电动汽车的动力电源或可作为太阳能、风能、核能等的贮能电源，具有广泛的应用前景。然而目前锌镍电池在循环使用过程中会有锌负极发生变形、锌的自溶解腐蚀、锌枝晶的生长等问题，很大程度上抑制了锌镍电池的开发与应用。

为解决锌的腐蚀溶解等问题，美国专利US3516182、美国专利US5460899和中国专利CN02134316在锌电极中添加钙盐，以减轻锌电极的形变，但它们的弊端是锌酸钙的理论克容量较低。中国专利CN200810240912采用表面包覆Sn₆O₄(OH)₄的氧化锌作为负极材料，延长锌镍电池的寿命。中国专利CN200510048920.1采用棒状纳米ZnO与乙炔黑、金属氧化物为负极材料，维持电池性能的稳定。但上述方法均采用共混的方法制备锌镍电池的负极材料，氧化物粒子容易团聚。

发明内容

本发明的目的在于提出一种锌镍二次电池的负极材料，它包含采用原位烧结方法获得的碳纤维/氧化锌/锌纳米复合材料、粘合剂和集流体如泡沫镍。

本发明所提出的锌镍二次电池的负极材料，具体为，先以带有功能基团的含碳聚合物、锌前驱体、纳米锌粉、非必需助剂、水为原料，在400-800℃的惰性气氛中采用原位烧结方法制得碳纤维/氧化锌/锌纳米复合材料，其中，该碳纤维/氧化锌/锌纳米复合材料含纳米锌5-35wt％、氧化锌30-90wt％、纳米碳纤维5-35wt％，再在碳纤维/氧化锌/锌纳米复合材料中加入粘合剂，与去离子水搅拌均匀后涂在集流体上，经烘干、压制后即制得所述锌镍二次电池的负极材料。

本发明所述的锌镍二次电池的负极材料，是利用含有功能基团的含碳聚合物与锌离子之间的相互作用，与纳米锌粉在高温下烧结原位生成碳纤维/氧化锌/锌纳米复合材料的。

本发明所述的锌镍二次电池的负极材料，是以带有功能基团的含碳聚合物、锌前驱体、纳米锌粉、非必需助剂为原料，在400-800℃的惰性气氛中采用原位烧结方法获得的碳纤维/氧化锌/锌纳米复合材料。

本发明所述的带有功能基团的含碳聚合物是指表面带有或化学修饰有可与锌纳米前驱体结合的功能基团如羟基、羧基、氨基、酰胺基的含碳聚合物，具体为分子量1000-5000000的带有羟基、羧基、氨基、酰胺基的水溶性聚合物、水稀释型聚合物、水分散型聚合物、乳液型聚合物，如水性丙烯酸酯聚合物、水性环氧聚合物、水性聚氨酯聚合物、水性聚酯聚合物、水性醇酸聚合物、水性氨基树脂聚合物中的一种或两种。

本发明所述的锌前驱体是能指溶解在水中的锌盐，为硫酸锌、硝酸锌、氯化锌、醋酸锌、柠檬酸锌、葡萄糖酸锌中的一种或两种。

本发明所述的纳米锌粉，其平均粒径为1-300nm。

本发明所述的非必需助剂，为水溶性钙盐、水溶性铋盐、水溶性铝盐、水溶性硅酸盐、水溶性钛酸盐中的1-2种，在碳纤维/氧化锌/锌纳米复合材料中占0-10wt％。