CN105206832B - 一种锌负极材料的烧结制备方法 - Google Patents

一种锌负极材料的烧结制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锌负极材料的烧结制备方法，将包括有锌源和磷源的混合物在保护性气体的保护下，以0.1~20℃/min的升温速度升温到550℃~850℃，然后恒温反应0.5h~48h，反应结束后，经冷却、粉碎，得到磷酸锌、焦磷酸锌与三聚磷酸锌的一种或其混合物，即为所述锌负极材料。本发明所涉及制备锌负极材料的方法，具有工艺简单、成本低、污染少的特点。采用本发明所涉及方法制备的锌负极材料可用于碱性和中性水溶液的电池体系中，是一种合适的电极活性材料，成本低、活性高，在电动工具、电动车、电网等储能方面有广阔的应用前景。

Description

一种锌负极材料的烧结制备方法
技术领域
本发明属于电化学工程与工业装置领域，特别涉及电池生产技术领域的一种锌负极材料的烧结制备方法，可作为电极活性物质用于碱性和中性水溶液的电池体系中。
背景技术
人类社会迈入工业化以来，对煤和石油等矿物能源的需求巨大，随着煤和石油等不可再生能源的巨大消耗而资源日益缺乏。二氧化碳排放加剧的温室效应和日渐严重的空气、生态环境的污染已经对我们赖以生活的地球家园构成了较为严峻的威胁。大力发展风能、太阳能等可再生能源是实现我国能源可持续发展的重要途径。可再生能源发电具有时差性和不稳定性，限制了其大规模并网利用。蓄电是解决可再生能源的不稳定性问题的一个有效方法，可实现可再生能源大规模应用。
化学蓄电池是电动工具、电动车、电网等储能的重要手段，是正在发展的储能技术，是智能电网、智能微网和能源互联网的关键技术之一。电池具有良好的电性能，且容易做到环保清洁无污染，因此竞争力很强，应用前景非常广阔。
锌基电池是化学蓄电池的重要分支，是化学电源的研发热点。锌的贮藏量丰富、价格便宜、比容量高，而且锌基电池的生产和使用不会对环境产生污染，是真正的绿色电池负极材料。由于具有这些优良特性，锌基电池，如锌镍二次电池、锌镍液流电池、锌溴电池等，备受研究者关注，成为储能电池的重要研发方向。
二次锌电极通常采用涂膏式的氧化锌(ZnO)电极，由于放电过程中形成的ZnO在碱液中具有较大的溶解度，其循环过程中易产生锌枝晶和锌板形变，使锌电极的寿命通常限制在300次左右。为改进循环寿命特性，人们曾尝试了机械再充式、第三电极充电式等技术方法，通过更换锌电极或电池外充电等方式达到提高锌电极循环性能的目的。机械可再充式简单易行，但也存在着更换负极操作繁杂、密封不严等问题。而采用第三电极充电，仍易产生锌枝晶和锌电极形变。近年有研究者采用活性物质与电解液的“体内外”循环的充电方式，以解决锌电极在充电过程中产生形变和枝晶的问题，但带有复杂的循环装置和电解液处理系统，使电池的比能量明显降低，且电池内阻大、维护困难。我们课题组利用ZnO在碱液中溶解度较大的特点，设计了溶解/沉积型液流锌电极，易解决枝晶、变形和钝化等问题，克服了目前碱性锌电极循环寿命差的缺点，但电池的比能量较低。锌溴电池等，利用卤化锌在近中性溶液中溶解度较大的特点，设计了溶解/沉积型液流锌电极改善了近中性溶液中锌电极循环寿命差的缺点，但电池的比能量也较低。
本发明提供一种锌负极材料的烧结制备方法，制备的锌负极材料可用于碱性和近中性电解液的锌基电池中，提高电池锌负极的循环寿命和电池的比能量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种锌负极材料的烧结制备方法，该制备方法具有生产成本低，清洁环保无污染的优点。
为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：
一种锌负极材料的烧结制备方法，将包括有锌源和磷源的混合物在保护性气体的保护下，以0.1～20℃/min的升温速度升温到550℃～850℃，然后恒温反应0.5h～48h，反应结束后，经冷却、粉碎，得到所述的锌负极材料，其中，所述锌负极材料中的锌离子和阴离子摩尔比在1～2.5:1，所述的锌源为选自氧化锌、碳酸锌、碱式碳酸锌、硝酸锌、酒石酸锌、甲酸锌、乙酸锌、草酸锌、柠檬酸锌、乙二胺四乙酸锌中的一种或一种以上，所述的磷源为选自磷酸、焦磷酸、三聚磷酸、磷酸盐、磷酸一氢盐、磷酸二氢盐、焦磷酸盐、焦磷酸一氢盐、焦磷酸二氢盐、焦磷酸三氢盐、三聚磷酸一氢盐、三聚磷酸二氢盐、三聚磷酸三氢盐、三聚磷酸四氢盐中的一种或一种以上，所述的盐为锂、钠、钾、铵的中的一种或一种以上。
优选的，上述锌源中还可以添加其他金属盐以部分取代锌，所述的其他金属盐的加入量为所述的锌盐的0～25mol％，所述的其他金属盐的阳离子为选自铬、钴、镍、铜、铁、铅、铝中的一种或一种以上，所述的其他金属盐的阴离子为选自硝酸根、酒石酸根、甲酸根、乙酸根、草酸根、柠檬酸根、乙二胺四乙酸根中的一种或一种以上，其中所述锌负极材料中的过渡金属离子和阴离子摩尔比在1～2.5:1。
优选的，所述的保护性气体为选自空气、氧气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳中的一种或一种以上。
优选的，所述的保护性气体的线流速不小于5cm/min。
优选的，所述的锌源为粉碎到200目以上的粉末，所述的磷源为粉碎到200目以上的粉末。
优选的，所述的混合物中还包括导电剂，所述的导电剂为选自导电炭黑、粉状活性炭、短切碳纤维、石墨烯、碳纳米管中的一种或一种以上，所述的导电剂的添加量占所述的锌负极材料总重量的20％以内。
优选的，所述的混合物中还包括树脂材料，所述的树脂材料的加入量占所述的混合物总重量的20％以内，所述的树酯材料为选自酚醛树脂、糠醛树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、醇酸树脂、丙烯酸树脂的一种或一种以上。
进一步优选的，所述的树脂材料为粉碎到400目以上的粉末。
进一步优选地，所述的树脂材料的加入量占所述的混合物总重量的10％～20％。
优选的，所述的混合物在10～30MPa下，压制成厚度为0.5～1.5mm的薄片，然后将所述的薄片在所述的高温炉中进行反应。
进一步优选的，用乙醇将所述的薄片湿润并阴干后，再放入所述的高温炉中进行反应。
优选地，反应结束后，冷却至0～30℃。
进一步优选地，反应结束后，在保护性气体的保护下进行冷却。
进一步优选地，反应结束后，在保护性气体的保护下急速冷却到室温。
以覆碳焦磷酸锌为例，本技术方案的锌电极储能原理可能为(以中性硫酸锂溶液为例)：
由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优势：
本发明的制备方法制得磷酸锌、焦磷酸锌与三聚磷酸锌的一种或其混合物，操作简单、方便、易于工业化，且成本低、污染少。制备的锌负极材料储能为电化学固相转化，没有传统锌电极的枝晶生成，锌的再分布等问题也得到抑制。制备的锌负极材料与常规材料相比，电化学性能高出20％以上，可用于碱性和中性水溶液的电池体系中，是一种合适的活性电极材料，成本低、活性高，在电动工具、电动车、电网等储能方面有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面举几个实施例简要说明本发明锌负极材料及其制备方法。
实施例1
将碳酸锌粉碎到200目，将粉碎到200目的焦磷酸二氢铵与碳酸锌粉混合均匀，锌总量和焦磷酸根总量的摩尔比为2:1。将上述混合物放置在陶瓷舟中，在氮气保护下，于高温炉中反应，氮气在反应室中的线流速为5cm/min，升温速度为1℃/min，升温到550℃时恒温48h。恒温反应结束后，立即将陶瓷舟从高温炉取出、室温放置冷却，经粉碎，得到锌负极材料。按照以上制备方法得到的锌负极材料，制备成电极，在1摩尔/升硫酸锂溶液中测试的比容量大于300mAh/g，可用做水溶液中锂离子电池的负极材料。
实施例2
将摩尔比为1:1的碳酸锌和乙酸锌混合粉碎到200目，将粉碎到200目的焦磷酸铵与碳酸锌和乙酸锌混合粉混合均匀，锌总量和焦磷酸根总量的摩尔比为2:1，加入400目的酚醛树脂后球磨混合，其中酚醛树脂加入量为原料总重量的20％。将上述混合物在20MPa压力下压成1mm左右的薄片，放置在陶瓷舟中，在氮气保护下，于高温炉中反应，氮气在反应室中的线流速为5cm/min，升温速度为1℃/min，升温到850℃时恒温4h。恒温反应结束后，立即将陶瓷舟从高温炉取出、氮气保护下室温放置冷却，经粉碎，得到锌负极材料。按照以上制备方法得到的锌负极材料，制备成电极，在1摩尔/升硫酸锂溶液中测试的比容量大于300mAh/g，可用做锂离子电池负极材料。
实施例3
将摩尔比为1:1的碳酸锌和乙酸锌混合粉碎到200目，将摩尔比为1:1的焦磷酸铵和三聚磷酸铵混合粉碎到200目，将上述锌源和磷源粉末混合均匀，锌总量和阴离子总量的电量比为1:1，加入400目的酚醛树脂后球磨混合，其中酚醛树脂加入量为原料总重量的10％。将上述混合物在20MPa压力下压成1mm左右的薄片，用乙醇将上述薄片均匀润湿，阴干后放置在陶瓷舟中，在氮气保护下，于高温炉中反应，氮气在反应室中的线流速为5cm/min，升温速度为5℃/min，升温到700℃时恒温6h。恒温反应结束后，立即将陶瓷舟从高温炉取出、氮气保护下室温放置冷却。经粉碎，得到所述的锌负极材料。按照以上制备方法得到的锌负极材料，制备成电极，在1摩尔/升硫酸锂溶液中测试的比容量大于400mAh/g，可用做锂离子电池负极材料。
以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1. 一种锌负极材料的烧结制备方法，其特征在于：将包括有锌源、磷源和树脂材料的混合物在保护性气体的保护下，以0.1~20℃/min的升温速度升温到550℃ ~ 700℃，然后恒温反应0.5h ~ 48h，反应结束后，经冷却、粉碎，得到所述的锌负极材料，其中，所述锌负极材料中的锌离子和阴离子摩尔比在1~2.5:1，所述的锌源为选自碳酸锌、碱式碳酸锌、硝酸锌、酒石酸锌、甲酸锌、乙酸锌、草酸锌、柠檬酸锌、乙二胺四乙酸锌中一种以上，所述的磷源为选自焦磷酸、三聚磷酸、焦磷酸盐、焦磷酸一氢盐、焦磷酸二氢盐、焦磷酸三氢盐、三聚磷酸一氢盐、三聚磷酸二氢盐、三聚磷酸三氢盐、三聚磷酸四氢盐中的一种以上，所述的盐为锂、钠、钾、铵的中的一种以上；所述的锌源为粉碎到200目以上的粉末，所述的磷源为粉碎到200目以上的粉末；所述的树脂材料的加入量占所述的混合物总重量的10%~20%，所述的树脂材料为选自酚醛树脂、糠醛树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、醇酸树脂、丙烯酸树脂的一种以上；所述的锌负极材料用于碱性或中性水溶液的电池体系中。
2.根据权利要求1所述的锌负极材料的烧结制备方法，其特征在于：所述的锌源还包括其他金属盐部分取代锌，所述的其他金属盐的加入量为所述的锌源的0~25mol%，所述的其他金属盐的阳离子为选自铬、钴、镍、铜、铁、铅、铝中的一种以上，所述的其他金属盐的阴离子为选自硝酸根、酒石酸根、甲酸根、乙酸根、草酸根、柠檬酸根、乙二胺四乙酸根中的一种以上，其中所述锌负极材料中的过渡金属离子和阴离子摩尔比在1~2.5:1。
3.根据权利要求1所述的锌负极材料的烧结制备方法，其特征在于：所述的保护性气体为选自氮气、氩气、氦气、二氧化碳中的一种以上。
4.根据权利要求1或3所述的锌负极材料的烧结制备方法，其特征在于：所述的保护性气体的线流速不小于5cm/min。
5.根据权利要求1所述的锌负极材料的烧结制备方法，其特征在于：所述的混合物中还包括导电剂，所述的导电剂为选自导电炭黑、粉状活性炭、短切碳纤维、石墨烯、碳纳米管中的一种以上，所述的导电剂的添加量占所述的锌负极材料总重量的20%以内。
6.根据权利要求1所述的锌负极材料的烧结制备方法，其特征在于：所述的树脂材料为粉碎到400目以上的粉末。
7.根据权利要求1所述的锌负极材料的烧结制备方法，其特征在于：所述的混合物在10~30MPa下，压制成厚度为0.5~1.5mm的薄片，然后将所述的薄片在高温炉中进行反应。
8.根据权利要求7所述的锌负极材料的烧结制备方法，其特征在于：用乙醇将所述的薄片湿润并阴干后，再放入所述的高温炉中进行反应。
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