CN105742643A - 一种碳基锌材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳基锌材料，包括碳纸、碳布、或碳纤维毡以及负载于其内部及表面的锌颗粒，所述锌颗粒是通过电化学方法负载于碳纸、碳布、或碳纤维毡内部及表面的。所述碳基锌材料具有均一的多孔结构，其孔径大小为10-50μm，孔隙率为20-75％。所述碳基锌材料的制备方法为以碳纸、碳布或碳纤维毡为基底电沉积锌颗粒制得。

Description

一种碳基锌材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种碳基锌材料及其制备方法。
背景技术：
由于金属锌资源丰富、价格低廉，很多电池体系均以锌为电极，如锌/空气电池、锌/镍电池、锌/银电池等。然而，电池在使用时会经历一些大电流脉冲过程，如充电时浪涌等。由于脉冲电流值一般超出了电池的额定电流，对于锌电极来说，这样的大电流脉冲容易使锌电极产生不可逆的钝化，影响了电极的性能与寿命。超级电容器具有功率密度高的特点，其短时间大电流放电能力强，因此若将电池与超级电容器并联使用，在大电流脉冲时由超级电容器提供一部分放电能力，将大大改善大电流脉冲对锌电极的影响。而外部并联超级电容器增加了系统的复杂性，因此将电极材料与超级电容器材料原位组合，形成电池-超级电容器原位组合电源是该体系的发展方向。碳材料具有较好的电容性能，在目前商业化的超级电容器上几乎均采用碳材料。
发明专利CN102569832A报道了以多孔材料，如活性碳、石墨等，与粘接剂混合制备多孔层，并担载在碳塑复合材料板上作为负极进行电沉积，但该方法制备复杂，工艺繁琐。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出在碱性电镀液或中性电镀液中在碳纸、碳布、碳纤维毡或其他具有三维立体结构的碳载体上电沉积制备碳基锌材料。将所制得的碳基锌材料用作锌/空气电池锌阳极时，具有导电性好、耐腐蚀性强、电容性能好、脉冲充放电性能高等优点。采用该方法制备碳基锌材料具有简便且易于实施的优点。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种碳基锌材料，包括作为基底的碳纸、碳布或碳纤维毡，以及负载于基底内部和/或表面的锌颗粒。
所述锌颗粒是通过电化学方法负载于碳纸、碳布或碳纤维毡内部及表面的。
所述碳基锌材料基底表面的锌颗粒间具有多孔结构。
所述多孔结构的孔径大小为10-50μm。
所述碳基锌材料的孔隙率为20-75％。
所述锌颗粒尺寸为20-40μm。
一种碳基锌材料的制备方法，以碳纸、碳布或碳纤维毡为基底电沉积锌颗粒后清洗干燥制得。
所述电沉积过程中电镀液为含Zn2+的中性水溶液或为含Zn(OH)4 2-的碱性水溶液。
所述碱性电镀液中OH-的浓度为3-10mol/L，Zn(OH)4 2-的浓度为0.1-1mol/L；所述中性电镀液中Zn2+的浓度为0.1-5mol/L。
所述电镀液含缓蚀剂。
所述电沉积过程以碳纸、碳布或碳纤维毡为负极，锌片为正极进行电沉积。
所述缓蚀剂为可溶性铟、铋、铊、镓、锡、铅、镉、钙化合物中的一种或两种以上，所述缓蚀剂的浓度小于0.1mol/L。
所述电沉积方式为恒电流电沉积法、恒压电沉积法、恒电位电沉积法、脉冲电沉积法、脉冲反向电沉积法中的一种或采用上述两种以上方式接续进行电沉积。
电沉积过程中，所述恒电流电沉积法具体采用恒流电源或电化学工作站，在正负极间施加一个恒定的电流，电流密度50-5000mA·cm-2；所述恒压电沉积法具体采用恒压电源或电化学工作站，在正负极间施加一个恒定的电压，电压范围为0.2-2V；所述恒电位电沉积法具体为采用电化学工作站与一个参比电极，参比电极可采用汞/氧化汞电极、银/氯化银电极等，电沉积电位相对于汞/氧化汞电极为-1.45V至-2.5V；所述脉冲电沉积法具体采用脉冲电源或电化学工作站，在正负极间施加一个脉冲电流或脉冲电压，具体范围同恒电流电沉积与恒压电沉积，脉冲频率0.2-1000Hz，占空比不小于0.1；所述脉冲反向电沉积法采用脉冲电源或电化学工作站，在正负极间施加一个脉冲电流与反向溶解电流，电沉积电流密度50-5000mA·cm-2，溶解电流密度0.1-50mA·cm-2，脉冲频率与占空比同脉冲电沉积法。
本专利所述碳基锌材料的制备方法，采用电容性能较好且具有三维网络导电结构的碳载体，如碳纤维毡、碳布、碳纸等，通过电沉积方法制备碳基锌材料，锌与碳载体结合力强，所制备电极具有良好的导电性与抗钝化能力，同时，由于碳载体能够与正极使用的碳材料形成内置超级电容器，可与电池形成电池-超级电容器原位组合电源。碳基锌材料作为锌/空气电池的负极材料使用时，在大电流脉冲时，碳材料提供一部分放电能力，使得负极锌材料避免了大电流产生的不可逆钝化，大大延长了碳基锌材料作为锌/空气电池负极材料的使用寿命。
具体实施方式
表1实施例所采用的实验列表
下面结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将对本发明实施例详细描述，本发明所述碳基锌材料是在碱性或中性电镀液中，在碳纸、碳布或碳纤维毡基底上电沉积锌颗粒后经清洗干燥后得到。
实施例1：配置含8mol/L氢氧化钾与0.5mol/L氧化锌的碱性电镀液，在电镀槽中，以碳纤维毡为负极，锌片为正极，施加一个恒电流2000mA·cm-2进行电沉积，制备得到碳基锌材料。
实施例2：配置含8mol/L氢氧化钾与0.5mol/L氧化锌的碱性电镀液，在电镀槽中，以碳纤维毡为负极，锌片为正极，施加一个恒电压1.7V进行电沉积，制备得到碳基锌材料。
实施例3：配置含8mol/L氢氧化钾与0.5mol/L氧化锌的碱性电镀液，在电镀槽中，以碳纤维毡为负极，锌片为正极，汞/氧化汞电极为参比电极，施加一个恒电位-1.8V进行电沉积，制备得到碳基锌材料。
实施例4：配置含8mol/L氢氧化钾与0.5mol/L氧化锌的碱性电镀液，在电镀槽中，以碳纤维毡为负极，锌片为正极，施加一个脉冲电流(2000mA·cm-2，250Hz，占空比0.25)进行电沉积，制备得到碳基锌材料。
实施例5：配置含8mol/L氢氧化钾与0.5mol/L氧化锌的碱性电镀液，在电镀槽中，以碳纤维毡为负极，锌片为正极，施加一个脉冲反向电流(电沉积电流密度2000mA·cm-2，溶解电流密度10mA·cm-2)进行电沉积，制备得到碳基锌材料。
实施例6：配置含8mol/L氢氧化钾与0.5mol/L氧化锌的碱性电镀液，在电镀槽中，以碳纸为负极，锌片为正极，施加一个脉冲电流(2000mA·cm-2，250Hz，占空比0.25)进行电沉积，制备得到碳基锌材料。
实施例7：配置含8mol/L氢氧化钾与0.5mol/L氧化锌的碱性电镀液，在电镀槽中，以碳布为负极，锌片为正极，施加一个脉冲电流(2000mA·cm-2，250Hz，占空比0.25)进行电沉积，制备得到碳基锌材料。
实施例8：配置含2mol/L硝酸锌的中性电镀液，在电镀槽中，以碳纤维毡为负极，锌片为正极，施加一个脉冲电流(2000mA·cm-2，250Hz，占空比0.25)进行电沉积，制备得到碳基锌材料。
由于碳载体具有三维导电网络结构，因此在电沉积过程中，锌颗粒能够均匀地负载于碳载体内部及表面，且锌颗粒与碳载体间的作用力较强，形成具有多孔结构的碳基锌材料，在用作锌/空气电池负极时，由于碳载体在整个放电过程能够提供较好的导电性能，因此碳基锌材料具有良好的导电性与抗钝化能力，同时，由于碳载体能够与正极使用的碳材料形成内置超级电容器，可与电池形成电池-超级电容器原位组合电源，在大电流脉冲时，碳材料提供一部分放电能力，使得负极锌材料避免了大电流产生的不可逆钝化，大大延长了碳基锌材料作为锌/空气电池负极材料的使用寿命。

Claims (14)

1.一种碳基锌材料，其特征在于：包括作为基底的碳纸、碳布或碳纤维毡，以及负载于基底内部和/或表面的锌颗粒。
2.如权利要求1所述碳基锌材料，其特征在于：所述锌颗粒是通过电化学方法负载于碳纸、碳布或碳纤维毡内部及表面的。
3.如权利要求1所述碳基锌材料，其特征在于：所述碳基锌材料基底表面的锌颗粒间具有多孔结构。
4.如权利要求3所述碳基锌材料，其特征在于：所述多孔结构的孔径大小为10-50μm。
5.如权利要求1所述碳基锌材料，其特征在于：所述碳基锌材料的孔隙率为20-75％。
6.如权利要求1所述碳基锌材料，其特征在于：所述锌颗粒尺寸为20-40μm。
7.一种如权利要求1-6任一所述碳基锌材料的制备方法，其特征在于：以碳纸、碳布或碳纤维毡为基底电沉积锌颗粒后清洗干燥制得。
8.如权利要求7所述碳基锌材料的制备方法，其特征在于：所述电沉积过程中电镀液为含Zn2+的中性水溶液或为含Zn(OH)4 2-的碱性水溶液。
9.如权利要求8所述碳基锌材料的制备方法，其特征在于：所述碱性电镀液中OH-的浓度为3-10mol/L，Zn(OH)4 2-的浓度为0.1-1mol/L；所述中性电镀液中Zn2+的浓度为0.1-5mol/L。
10.如权利要求8所述碳基锌材料的制备方法，其特征在于：所述电镀液含缓蚀剂。
11.如权利要求7所述碳基锌材料的制备方法，其特征在于：所述电沉积过程以碳纸、碳布或碳纤维毡为负极，锌片为正极进行电沉积。
12.如权利要求10所述碳基锌材料的制备方法，其特征在于：所述缓蚀剂为可溶性铟、铋、铊、镓、锡、铅、镉、钙化合物中的一种或两种以上，所述缓蚀剂的浓度小于0.1mol/L。
13.如权利要求7所述碳基锌材料的制备方法，其特征在于：所述电沉积方式为恒电流电沉积法、恒压电沉积法、恒电位电沉积法、脉冲电沉积法、脉冲反向电沉积法中的一种或采用上述两种以上方式接续进行电沉积。
14.如权利要求13所述金属基锌材料的制备方法，其特征在于：所述恒电流电沉积法中电沉积电流为50-5000mA·cm-2；所述脉冲电流电沉积法中电沉积电流为50-5000mA·cm-2，脉冲频率0.2-1000Hz，占空比不小于0.1；所述恒电压电沉积法中电沉积电压为0.2-2V；所述脉冲电压电沉积法中电沉积电压为0.2-2V，脉冲频率0.2-1000Hz，占空比不小于0.1；所述恒电位电沉积法中电沉积电位相对于汞/氧化汞电极为-1.41V至-2.5V；所述脉冲反向电沉积法中电沉积电流密度50-5000mA·cm-2，溶解电流密度0.1-50mA·cm-2，脉冲频率0.2-1000Hz，占空比不小于0.1。
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