[发明专利]一种锌基电池用负极材料、其制备和用途

说明书

技术领域

本发明属于能源材料领域，具体涉及一种锌基电池的负极材料、及其制备方法。

背景技术

随着环境污染的日益加剧和化石能源的日渐枯竭，可持续发展对新型可再生能源的要求正在不断提高。其中，可充电锌基电池以其优异特性，而成为电动汽车、应急能源、储能电站等储能设备的首选，也是未来空间技术及高端储能系统的理想潜在电源系统。可充电锌镍电池主要由正极、负极、隔膜和电解液构成，而具有高的电荷存储密度、快速充放电特征、良好的充放电效率和高循环寿命以及低成本的可充电锌基电池用新型负极材料的制备是目前此研究方向最具活力的分支之一。

锌基水滑石具有稳定的片层结构，在碱性条件下可以稳定存在，减少在锌基电池电解液中的腐蚀，因此是一种很有前途的锌基电池负极材料。但是锌基水滑石仍存在导电性差、比容量低、循环稳定性差的缺点。因此，当今此领域的研究集中在高容量、高功率、长寿命、低成本新型锌基电池负极材料的研究、开发和制备技术上。

石墨烯是一种新型的二维材料，具有比表面积大、导电性好、结构稳定等优点，近年来受到储能领域的广泛关注。而石墨烯包覆锌基水滑石具有电导率高、比表面积大、稳定性好的优点，能有效抑制活性物质变形，同时能有效分散充放电电流，降低面电流密度，从而抑制支晶形成。因此将其应用在锌基电池领域将表现出高的比容量、高倍率性能、长循环寿命。但目前石墨烯包覆锌基水滑石有限的制备方法有限的制备方法仍限制其实际应用。

发明内容

针对现有技术中的锌基电池负极材料导电性差和循环性能差的不足之处，本发明的第一个目的提供一种具有高容量、高倍率性能、优异循环性能、可作为锌基电池负极材料的石墨烯包覆锌基水滑石复合材料。

本发明的第二个目的是提出所述负极材料的制备方法。

本发明的第三个目的是提出所述负极材料的用途。

实现本发明上述目的的技术方案为：

一种锌基电池用负极材料，所述负极材料为石墨烯片包覆片状锌基水滑石的结构，材料中锌基水滑石的质量占比为65～95％，包覆的石墨烯片的厚度为0.5～10nm，石墨烯片的平面尺寸为500nm～50μm，锌基水滑石的形状为六边形或近似圆形，直径为100nm～5μm；石墨烯包覆在锌基水滑石表面，且彼此相连形成三维网络结构。

该包覆结构用作锌基电池负极材料时，比容量在1C充放电条件下可逆容量可达到200～550mAh/g。

2、权利要求1所述锌基电池用负极材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

(1)锌基水滑石或锌基水滑石前驱体与氧化石墨烯均匀分散在水和/或有机溶剂中，在常压反应器或水热釜内进行反应，反应温度在20～300℃下，其中锌基水滑石或其前驱体与氧化石墨烯的投料质量比为0.8～50:1；

其中，所述锌基水滑石为二元或三元锌基水滑石，所述锌基水滑石前驱体为锌盐、铝盐、镁盐、铜盐、铈盐、镧盐、碳酸盐、氢氧化钠中的二种以上，所述的有机溶剂为乙醇、丙醇、乙二醇、异丙醇、甲基吡咯烷酮中的一种或多种的组合；所述反应为水热反应、溶剂热反应、共沉淀反应中的一种或多种；

(2)采用选自真空干燥、冷冻干燥以及超临界干燥法中的任一种干燥法对前步的产物体系进行干燥，得固体产物。

其中，所述锌基水滑石选自锌铝水滑石、锌铝镁水滑石、锌铝铜水滑石、锌铝铈水滑石、锌铝镧水滑石中的一种或多种；所述锌基水滑石与氧化石墨烯的投料质量比为35～45:1。

本发明优选技术方案之一为，所述氧化石墨烯用改进的hummers’法制备，具体为：将石墨片和硝酸钠混合均匀，加入浓硫酸，在低于4℃条件下缓慢加入KMnO₄，并在低于4℃温度下搅拌反应1h，然后升温至30～40℃反应0.5～1h，然后缓慢加入去离子水，待去离子水完全加入后加热至沸腾，并保持反应30min；其中石墨片、硝酸钠、浓硫酸、KMnO₄，的质量比为1：0.1～0.8：20～50：2～4。

其中，步骤(1)为：将0.5g氧化石墨烯分散其质量1000～2000倍的水中，另将锌基水滑石分散在其质量5～20倍的水中，将锌铝水滑石水溶液缓慢加入氧化石墨烯水溶液中，室温搅拌使其共沉淀2～4小时。

当步骤(1)中所采用的溶剂不具有还原性时，步骤(1)反应后进行还原的操作，加入的还原剂选自水合肼、硼氢化钠、硼氢化钾、氢气中的一种或多种，还原反应的温度为50℃～90℃。

其中，加入的还原剂质量为所述氧化石墨烯质量的200～1000倍，还原反应的时间为1～3小时。