[发明专利]一种用于液相锌离子电池的自支撑复合薄膜及其制备方法

说明书

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种用于液相锌离子电池的自支撑复合薄膜及其制备方法，包括如下步骤：将五氧化二钒和含金属离子盐进行水热反应得到嵌有金属离子的钒氧前驱体；将金属离子预嵌的钒氧前驱体与碳纳米管进行水热自组装形成金属离子预嵌层状五氧化二钒纳米带/碳纳米管复合物；将金属离子预嵌层状五氧化二钒纳米带/碳纳米管复合物真空抽滤和冷冻干燥处理形成自支撑复合薄膜。本发明制备的自支撑复合薄膜可用于液相锌离子电池，本发明制备的自支撑复合薄膜比容量大，库伦效率高，循环性能稳定，倍率性能好，且该材料的原材料五氧化二钒、碳纳米管均为商业化材料，合成工艺简单、产率高、重复性好，具有良好的工业化应用潜力。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种用于液相锌离子电池的自支撑复合薄膜及其制备方法。

背景技术

锂离子电池拥有高能量密度、高功率密度、长循环寿命等优点，广泛应用于便携式电子设备、智能电网、动力汽车等领域。近年来，锂离子电池大规模商业化应用加剧了对锂资源的需求，但全球锂资源有限且分布不均导致锂矿价格持续上涨，这限制了锂离子电池在大规模储能应用方面的发展。此外，锂离子电池使用的有机电解液易燃，容易引发安全事故。因此，低成本、高安全性能、绿色环保的二次电池获得科研工作者的广泛关注。在众多新型电池体系中，液相锌离子电池比锂离子电池有更高的安全性，并且金属锌资源丰富、毒性低、二次处理简单，因而锌离子电池具备大规模生产应用的潜力。在当前液相锌离子电池的构造中，正极是电池的重要组成部分，对锌离子电池的性能有着至关重要的影响，是决定锌离子电池进一步发展的关键。因此，寻找适用于锌离子电池的高性能正极材料具有重大意义。

以五氧化二钒和二氧化钒为代表的钒氧化物纳米材料具有高理论比容量、低成本等优点，被认为是合适的锌离子电池正极材料之一。然而，其较低的电子电导率和离子扩散系数极大地影响了它们作为锌离子电池正极材料的比容量和倍率性能。同时，二价锌离子在五氧化二钒和二氧化钒晶格嵌入/脱出过程中会产生很强的静电排斥作用力，引起锌离子迁移动力学缓慢，导致材料结构变化大，体积膨胀严重以及循环稳定性差，这极大的限制了钒氧化物在锌离子电池上的应用。研究表明，层间距较大的层状结构或隧道结构材料可以为锌离子快速嵌入/脱出提供有效的通道，极大地改善锌离子迁移动力学，并在锌离子嵌入/脱出过程中维持良好结构稳定性，从而提高锌离子电池的储能特性。武汉理工大学麦立强教授课题组报导层状结构材料VS₂在0.5Ag^-1电流密度下循环200圈，放电容量仍保持98％(与第一圈比容量相比)；北航大学杨树斌教授课题组报导隧道结构材料VO₂纳米纤维具有极高可逆放电比容量和优良的倍率性能；华盛顿大学的杨继辉教授课题组报导层状结构V₂O₅.nH₂O在6Ag^-1电流密度下循环900圈，容量保持率达71％(与最大放电比容量相比)；中南大学梁叔全教授课题组报道锂离子(Li⁺)预嵌的层状五氧化二钒材料较好地解决了传统V₂O₅材料作为水系锌离子电池正极在充放电过程中离子扩散缓慢、材料结构不稳定等瓶颈问题，因而该材料作为锌离子电池正极材料在10Ag^-1的电流密度下循环1000圈放电比容量达192mAhg^-1。

但上述报道中锌离子电池正极的制备均采用传统涂膜法，制备工艺冗长。另一方面，电极制备过程中使用添加剂和集流体不仅增加电极制备的成本，同时降低电池的能量密度。此外，不导电的添加剂还限制了电极中电子和离子的输运，降低了电池的循环和倍率性能。

综上所述，亟需开发一种合成工艺简单、产率高、重复性好，产品库伦效率高，循环性能稳定，倍率性能好的可直接用作锌离子电池正极的自支撑复合薄膜的制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种合成工艺简单、产率高、重复性好，产品库伦效率高，循环性能稳定，倍率性能好的可直接用作锌离子电池正极的自支撑复合薄膜的制备方法。