[发明专利]用于增强镍锌电池正极的氟掺杂改性方法及其正极材料

说明书

本发明公开了一种用于增强镍锌电池正极的氟掺杂改性方法及其正极材料，本发明通过控制氟元素掺杂量，调控所制备电极材料的形貌、电子结构性质及物相构成，实现氟掺杂对电极材料形貌、电子结构产生了明显改善作用，利用氟元素掺杂后，电极材料形貌由单一的纳米线状结构转化为一维、二维复合结构，有利于增强电极材料结构稳定性，从而增强其作为水系锌基电池正极材料的循环寿命。此外，氟元素掺杂对电极材料中活性金属价态起到改善作用，从而影响电极材料的电子结构性质及电导率，表现出明显优异的循环稳定性，使用寿命长。另外，本发明的制备方法简单、快速、有效，降低了其工业化大规模生产的成本和难度，适宜于大规模工业化生产，应用前景广阔。

技术领域

本发明属于电池正极材料技术领域，具体涉及一种用于增强镍锌电池正极的氟掺杂改性方法及其正极材料。

背景技术

随着环境问题日益严重及化石能源的日益消耗，开发清洁、可持续的新能源及新能源储存工艺是迫在眉睫的事情。众多储能技术中，锂离子电池仍占据目前市场的主要地位，但是锂的低储量、高成本及安全性问题会限制其进一步发展。水系锌基电池具有环保、成本低、锌储量丰富及安全等优势，然而目前限制水系锌基电池快速发展的主要瓶颈是其循环寿命低。导致其循环寿命低的原因包括锌负极枝晶及正极材料差的稳定性，目前锌枝晶问题已经通过调控电解液、控制形貌等手段得到有效解决，因此如何增强锌基电池正极材料的稳定性是至关重要的。

在循环充放电过程中，锌基电池正极材料通常会发生相转变、结构坍塌、体积膨胀或活性金属溶解等问题，从而导致容量衰减。现阶段，科学家们主要致力于解决正极材料的以上难题。例如，Nazar团队报道了一种利用Zn²⁺和结晶水插层V₂O₅的方法，通过提高V₂O₅的层间距减小电解液离子的传输阻力，从而达到稳定电极材料结构的作用。此外，在正极材料进行表面包覆也是一种有效的策略。例如Yanqing Fu等人报道了一种利用碳层保护氧化锰电极的方法。经过120圈充放电循环后，碳包覆氧化锰作为正极材料仍能提供比较高的容量。对正极材料进行纳米结构设计能够有效提高正极材料的循环稳定性，合理的结构设计不仅能够降低电解液离子传输阻力还能够降低其传输路径，从而起到增强材料稳定性的目的。如Jinping Liu等人设计了一种三维结构的氧化镍正极材料，在1000次充放电循环后，该电极材料能够保留初始容量的91％。

从以上文献可以看出，上述常用方法虽然可以有效提高锌基电池正极材料的循环稳定性，但是仍存在问题。离子插层、碳材料包覆、纳米结构设计通常制备工艺复杂，会增加工艺成本。另外，结构或组分调控在大规模制备中无法精确控制，因此其应用前景不明朗。

发明内容

针对上述的不足，本发明目的在于，提供一种用于增强镍锌电池正极的氟掺杂改性方法及其正极材料。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：

一种用于增强镍锌电池正极的氟掺杂改性方法，其包括以下步骤：

(1)将硝酸盐、尿素及一定量氟化铵溶解液加入蒸馏水中并搅拌均匀，获得溶液，其中氟化铵与硝酸盐的摩尔比为1：1～4，硝酸盐的浓度为10～100mmol/L，硝酸盐与尿素的摩尔比为1：4～6，优选为1：5；

(2)将碳布加入步骤(1)中的溶液，以充分浸润碳布；

(3)将溶液和碳布移至反应釜中，然后进行加热；

(4)水热反应完成后，将碳布取出清洗，然后进行干燥，制得正极材料。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤(1)的搅拌方式为磁力搅拌，转速为200～500转/分钟，搅拌时间为10～60分钟。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤(2)进行超声处理10～40分钟，以充分浸润碳布。