[发明专利]一种用于锌镍电池的ZnO@C负极材料及其制备方法

说明书

一种用于锌镍电池的ZnO@C负极材料及其制备方法，属于碱性二次电池负极材料领域。该用于锌镍电池的ZnO@C负极材料的制备方法为：采用水热法制备纳米ZnO微球并作为锌源，在其表面原位生长ZIF‑8制备出具有ZIF‑8包覆、核壳结构的ZnO@ZIF‑8核壳纳米复合材料，通过先氩气碳化再结合空气碳化过程形成ZIF‑8衍生碳包覆ZnO的纳米复合材料(ZnO@C)。当用于锌镍电池负极时，这种核壳结构不仅可以增大活性物质与电解液的接触面积以及提高电极材料的导电性，同时包覆在ZnO表面的多孔碳可以抑制ZnO在碱性电解液中的溶解，并且提供了更多的锌沉积位点，有效减缓锌负极的枝晶和变形，锌镍电池循环性能优异。

技术领域

本发明属于碱性二次电池负极材料技术领域，具体涉及一种用于锌镍电池的ZnO@C负极材料及其制备方法。

背景技术

随着煤炭石油等化石燃料的枯竭，发展新型环保的可再生能源已经成为全球性趋势。二次电池储能系统得到了研究者的广泛关注，其中常见的二次电池系统主要包括化学储能的锂离子电池、铅酸电池和镍氢电池等，还包括电磁储能的超级电容器和超导电磁等。然而现有的二次电池系统大多存在明显的局限性，例如：铅酸电池存在比能量密度低以及对环境造成污染等问题；镍氢电池工作温度范围受限，工作电压低；锂离子电池制造成本高，且使用的有机物电解质存在毒性大、易爆炸等安全性问题。与这些电池体系相比，锌镍电池具有生产成本低、使用安全性高、环境友好和高比能密度等优点，是一种具有研究前景的电池系统。

金属锌在自然界中储量丰富且具有成本低、环境友好、理论比容量高(820mAh·g^-1)等优点而被广泛应用于碱性锌基电池。但是，在电池充放电循环过程中，负极放电产物氧化锌在碱性电解液中溶解度高，导致锌负极产生变形、枝晶、腐蚀和钝化的问题，造成容量衰减，甚至导致电池短路、胀气等安全问题，限制了锌镍电池的发展。发明使用碳包覆的氧化锌作为电池负极，可以明显抑制电极的枝晶和变形，同时增加电极的导电性，从而显著提高锌镍电池的循环性能。然而目前所使用的碳包覆材料都是直接引入碳源涂覆在氧化锌的表面，碳材料与ZnO之间的接触面积相对较小，并且对枝晶生长的抑制并不完全。因此，有必要构建新型碳包覆氧化锌材料并应用到锌镍电池中以进一步改善其电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提供一种用于锌镍电池的ZnO@C负极材料及其制备方法。所述制备方法利用金属框架材料(ZIF-8)在厌氧条件下的热解产物为具有高比表面积和高导电率的多孔碳材料的特点，首先合成具有核壳结构ZnO@ZIF-8纳米材料，再通过碳化处理后，形成ZIF-8衍生的具有多孔碳壳包覆的氧化锌纳米复合材料(ZnO@C)，这种复合材料作为锌镍电池负极材料的核壳结构不仅可以增大活性物质与电解液的接触面积以及提高电极材料的导电性，同时包覆在ZnO表面的多孔碳可以抑制ZnO在碱性电解液中的溶解，并且提供了更多的锌沉积位点，有效减缓电极的形变、枝晶生成和溶解，同时可以增加电极材料导电性，从而实现锌镍电池能量密度和循环稳定性的提高。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

本发明的一种用于锌镍电池的ZnO@C负极材料的制备方法，为热解核壳结构ZnO@ZIF-8核壳纳米复合材料制备多孔碳包覆氧化锌纳米复合材料，具体为：

将ZnO@ZIF-8核壳纳米复合材料，进行碳化处理，得到用于锌镍电池的ZnO@C负极材料；所述的碳化处理是先在500-750℃氩气气氛中进行氩气环境碳化，氩气环境碳化的升温速率为3-5℃/min，氩气环境碳化时间为2-5h；然后在空气中进行碳化，空气环境碳化温度为200-300℃，空气环境碳化的升温速率为1-3℃/min，空气环境碳化时间为1-5h。

所述的ZnO@ZIF-8核壳纳米复合材料，采用以下步骤制备，具体包括：

步骤一：

将醋酸锌和二乙二醇混合，在160-180℃反应20-60min，得到反应溶液；其中，按固液比，醋酸锌：二乙二醇＝1g：(40-60)mL；