[发明专利]一种二次锌基电池用纳米Zn@C负极材料及其制备方法

说明书

本发明属于电池材料领域，具体涉及一种二次锌基电池用纳米Zn@C负极材料及其制备方法。所述负极材料中C为纳米碳材料，其厚度为50～100μm，Zn晶粒尺寸为20～80nm；所述制备方法包括以下步骤：将纳米碳材料加入纳米锌镀液中进行电镀，然后水洗、吹干，即得到所述纳米Zn@C负极材料；电镀可以采用直流、高频正向脉冲电流或高频双向脉冲电流；所述纳米锌镀液包括硫酸锌、硼酸和晶粒细化剂，pH为1～3，溶剂为水。本发明制备的负极材料结合力良好，经90°弯曲试验20次无锌脱落，枝晶生长抑制能力强，且具有优异的比容量、循环寿命、库伦效率和倍率性能，经放大实验证明效果良好，适合大规模工业生产。

技术领域

本发明属于电池材料领域，具体涉及一种二次锌基电池用纳米Zn@C负极材料及其制备方法。

背景技术

随着能源问题的日益凸显，开发新型可再生能源(例如，光电、风电和水电等)成为各国科研工作者致力研究的课题。二次电池作为一种清洁高效的电化学能源存储装置在民用、国防以及航空航天等大型储能领域具有很高的应用价值和发展前景。现有的二次电池体系中(镍氢电池、铅酸电池、锂离子电池、钠离子电池、镍镉电池、超级电容器以及锌基电池)，锌基电池是唯一可同时实现大功率快速充放电、且具有高能量密度、高功率密度、安全环保、低成本的二次水系电池，被认为是电能转换和大规模存储的首选技术之一。这主要归功于锌作为二次电池负极电化学反应活性物质，不但是可以从水溶液中高效还原的元素中标准电势最低的元素，还是水溶液里能够稳定存在的元素中能量密度最高的元素，同时还具有环境友好、资源丰富、价格低廉、制备工艺简单等特点。

尽管二次锌基电池用具有如此诱人的发展前景，但是目前商业化锌负极(锌板电极和锌粉末电极)在电池充放电反应过程中容易形成枝晶，不仅会刺穿电池隔膜造成电池短路，而且还会从电极表面脱落造成电池容量衰减，严重缩短了二次锌基电池用的循环寿命。目前抑制锌枝晶生长的常见措施主要包括：对电解液、隔膜、充电方式、以及锌负极材料的改进。其中，对电解液的改进是通过加入添加剂来抑制枝晶生长；对隔膜的改进是通过使用特殊隔膜来物理阻断枝晶生长；对充电方式的改进则是通过交流或脉冲充电方式对已形成的枝晶进行溶解。虽然，三者都能够在一定程度上减缓锌枝晶的生长，但都没有从根本上解决锌枝晶的形成问题。

具体的，康飞宇等在文献“Enhancement on cycle performance of Zn anodesby activated carbon modification for neutral rechargeable zinc ion batteries”中制备了锌粉末与活性炭的复合电极，在电池充电反应过程中，Zn²⁺优先在活性炭的孔洞中还原，从而抑制了锌在电极表面的沉积和生长，极大的改善了锌负极的电化学反应动力学和可逆性。但是，该锌-活性炭复合电极的制作较为繁琐，需采用涂布法或研磨法将锌粉、电极添加剂、导电剂、粘结剂制备成厚度均一的电极片，因此成本较高。为此，吴宇平在“AnAqueous Rechargeable Zn//Co₃O₄ Battery with High Energy Density and GoodCycling Behavior”中提出了一种基于碳纤维表面电沉积锌制备核壳结构锌-碳纤维复合电极的新方法，该方法兼具了致密电极简单、易制和多孔电极高孔隙率、高比表面积等优势，相比传统锌板电极，锌-碳纤维复合电极有效地抑制了电极循环反应过程中的枝晶生长，这归因于碳纤维的高比表面积为电极反应提供了更多的活性位点，以及更加有效的离子扩散场。然而，其所使用的锌材料和碳纤维材料仅是传统的微米级尺寸材料，限制了负极材料整体的比表面积和平整度，电池的循环性能仍有待进一步提高。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明提供了一种二次锌基电池用纳米Zn@C负极材料及其制备方法。