[发明专利]一种锌基电池用含氮复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于二次电池领域，具体涉及一种锌基电池的电极材料。及其制备方法。

背景技术

随着能源需求和环境保护的日益强劲，目前动力型电池市场包括了铅酸电池,镍镉电池，镍氢电池和锂离子电池,但是这些电池体系都存在一些问题,制约了这些电池的进一步发展。铅酸电池和镉镍电池是早已广泛应用的二次电池,占据了动力型电池的主要市场,但这两类电池能量密度比较低,商品电池一般只能达到30～50Wh kg^-1,不适合在需要大量贮存能量又要移动的场合使用。铅酸电池和镍镉电池含有对环境污染严重的重金属元素,它的生产和废旧品处理对环境有严重影响，如欧盟已强制要求电池生产企业负担这些电池的废旧品处理，铅酸电池和镍镉电池是不能实现可持续发展，前景有限。氢镍电池因镍价大幅度上涨和电池组一致性差等技术问题,以LiCoO₂为正极材料的商业化锂离子电池成本较高,安全性较差,燃料电池因技术成熟度和成本，近期都较难成为动力电池的主流产品。目前新型高性能绿色二次动力电池的研究开发己经成为迫切需要解决的重大课题。

锌镍电池由锌电极和镍电极组成，兼有锌银电池中锌负极高容量和镉镍电池中镍正极长寿命的优越性能，是一种高性能绿色二次动力电池。锌镍二次电池性能特点包括：工作电压高(高于镍氢电池和镍镉电池)，能量密度高(一般为铅酸电池的2倍，镍镉电池的1.5倍),功率密度高(仅次于锂离子电池)，工作温度宽(-20-50℃)，无记忆效应,电池的生产和使用过程对环境不产生污染,被誉为真正的绿色电池,锌的贮藏量丰富,价格便宜。锌镍电池己成为继铅酸电池，镉镍电池，氢镍电池和锂离子电池以后,更为廉价和实用的新型高性能绿色动力电池。

迄今，锌镍电池用负极材料的组成成分已经有了很大的发展，如添加一些提高析氢过电位的氧化物，主要有氧化铋、氧化铟、氧化锡等。虽然上述方式均已得到一定程度或一定规模的实际应用，但均存在比容量低(～400mAh/g)、循环寿命短(<200次)，尤其已成生枝晶的缺点。因此，当今此领域的研究集中在高能量、高功率、长寿命、低成本新型负极材料的研究、开发和制备技术上。

近年来，含氮复合材料已被研究用于锌镍电池负极材料，且锌镍电池循环过程中易产生氢气导致活性物质的接触分离，尤其高倍率充放电和过充电时，最终导致电池性能迅速衰减和电解液的过度消耗。在含氮复合材料中，含氮碳材料具有很多活性位点，在充放电过程中非常的稳定而且会使电流分布均匀。但目前锌镍电池的循环性能和有限的制备方法仍限制其实际应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的锌基电池负极易产生析氢和充放电时循环性差的不足，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的含氮复合材料。

本发明的另一目的是提出所述含氮复合材料的制备方法。

本发明的第三个目的是提出含有含氮复合材料的电池。

实现本发明目的的技术方案为：

一种锌基电池用含氮复合材料，由含氮的碳材料与锌和/或氧化锌复合构成，其中锌和/或氧化锌的质量占复合材料的60～95％；该复合材料具有三维结构、多级孔结构、包覆结构中的一种结构或多种的混合结构；所述氧化锌的尺寸为50nm～200微米。

进一步地，所述含氮的碳材料为C₃N₄或氮掺杂石墨烯。

本发明所述的锌基电池用含氮复合材料的制备方法，包括步骤：

(1)使锌基化合物与前驱体分散在水和/或有机溶剂中，而后在温度50℃～200℃下进行干燥处理；所述干燥处理为冷冻干燥或超临界干燥；其中锌基化合物与前驱体的投料质量比为0.5～50:1；

(2)步骤(1)得到的前驱体混合物在温度500℃～1000℃下进行热处理，处理时间为0.5～10小时，热处理的气氛为空气、氮气、氩气、氨气中的一种或几种。

其中，步骤(1)中，所述锌基化合物为选自氧化锌、氯化锌、硝酸锌、硫酸锌、碳酸锌、醋酸锌中的一种或多种。

其中，步骤(1)中，所述的前驱体为尿素、氰胺、二氰胺、三聚氰胺、吡咯、聚吡咯、苯胺、聚苯胺、葡萄糖、蔗糖、石墨烯、氧化石墨烯等中的一种或多种。

其中，步骤(1)中，所述的有机溶剂为乙醇、N，N二甲基甲酰胺、乙二醇、二氯甲烷、异丙醇、甲基吡咯烷酮中的一种或多种的组合；锌基化合物与水或有机溶剂的质量比例为10：2～10。

优选地，步骤(2)中前驱体混合物在温度500℃～700℃下进行热处理。