[发明专利]一种能抑制自放电的锌电极材料的制备方法及应用

说明书

本发明涉及锌镍电池技术，旨在提供一种能抑制自放电的锌电极材料的制备方法及应用。该锌电极材料是由磷掺杂碳包覆氧化锌、充填表面活性剂的磷掺杂多级孔碳材料和粘结剂PTFE按质量比8∶1∶1经机械研磨混合而成。本发明在合成抑制自放电的磷掺杂碳包覆氧化锌材料基础上，利用同样的技术手段实现了将表面活性剂置于电极内部，通过抑制锌枝晶的生成和发育降低锌电极的自放电速度。本发明能使表面活性剂对锌电极自放电的抑制作用得到更加充分的发挥，相对于现有技术取得了更显著的叠加效果。

技术领域

本发明涉及锌镍电池技术，具体涉及一种能抑制自放电的锌电极材料的制备方法及应用。本发明特别涉及锌电极中添加磷掺杂多级孔碳的合成、通过水热处理将阴离子表面活性剂和碳氟非离子表面活性剂组成的复配表面活性剂充填于磷掺杂多级孔碳得到磷掺杂多级孔碳载表面活性剂材料，利用阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂的复配，充电过程中在金属锌/电解液形成有效隔绝氧气的吸附膜，有效抑制锌电极的微电池所导致的自放电，从而得到安全性高、存储时间长的锌镍电池。

背景技术

锌镍电池以氧化锌为负极材料，氢氧化镍为正极材料，锌负极与镍电极依次叠片，中间置以隔膜，以氢氧化钾水溶液为电解液构成的碱性二次电池。锌镍电池不仅在家用电器、电动玩具、电动门窗等小型负载方面得到应用，在安全性要求高的电动自行车、电动汽车、高铁电源、储能基站备用电源等领域也具有很好的商业前景。

氧化锌的储量丰富，与铅酸电池、锂离子电池等相比具有更好的成本优势，且环境友好。锌镍电池发明至今已近百年，但因锌负极的枝晶问题导致循环性能差、自放电严重等关键问题没有的到根本解决。尤其是负极金属锌与水反应所造成的自放电，导致氢气的释放，造成的电池安全问题；以及锌自放电造成锌镍电池的正负极容量失配，导致锌镍电池循环性能的急剧恶化。由于锌枝晶前沿具有很高的反应活性，更容易突破钝化层与水反应，是自放电发生的主要区域。因此，消除锌枝晶的择优生长，钝化枝晶生长前沿也是降低锌电极自放电的有效措施。

锌镍电池放电时，锌电极中的锌将被氧化为氧化锌和氢氧化锌，由于锌镍电池的电解液为高浓度的KOH溶液，锌电极在转化过程中，将会产生氢氧化锌或者锌酸盐。生成的Zn(OH)₄^2－溶解于强碱电解液中，同时也裸露出活泼的金属锌与电解液相接触，锌与水反应形成氢气发生自放电。不仅如此，自放电造成锌镍电池的正负极容量失配，引起正极过充而在正极产生氧气，造成电解液中溶解氧增加，电解液中的溶解氧与金属锌反应进一步加剧自放电。

表面活性剂是一种能使目标溶液表面张力显著下降的物质，具有固定的亲水疏水基团，在溶液的表面能定向排列。表面活性剂的这种性质是由其一端为亲水基团，另一端为疏水基团的特有分子结构所决定的。亲水基团常为极性基团，如羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基及其铵盐离子，羟基、酰胺基、醚键等也可作为极性亲水基团。而疏水基团常为非极性烃链，如8个碳原子以上烃链。

表面活性剂通过在固液两相界面吸附降低水在固体表面的张力，也可以通过吸附在液体界面间来降低油水界面张力，许多表面活性剂也能在本体溶液中聚集成为聚集体。胶囊和胶束都是此类聚集体。表面活性剂开始形成胶束的浓度叫做临界胶束浓度或CMC。超过临界胶束浓度的溶液含有有序相(胶束)和无序相(自由表面活性剂分子和/或离子)。胶束的表面活性剂分子的亲油尾端聚于胶束内部，避免与极性的水分子接触；分子的极性亲水头端则露于外部，与极性的水分子发生作用，形成外壳，保持与水接触，并对胶束内部的憎水基团产生保护作用。

溶液中表面活性剂的存在，增加液体在固体表面的润湿性、液(气)液两相的乳化性以及气液两相的起泡性。在非极性固体表面主要发生表面活性剂分子单层吸附，而在极性固体表面可发生表面活性剂的多层吸附。通过变换亲水基或亲油基种类、所占份额及在分子结构中的位置，可以达到所需亲水亲油平衡的目的，控制液、固之间的润湿程度。