CN109360944A - 一种提高锌空气电池负极材料稳定性的方法 - Google Patents

一种提高锌空气电池负极材料稳定性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锌空气电池领域，公开了一种提高锌空气电池负极材料稳定性的方法。包括如下处理过程：（1）将可溶性金属盐加入去离子水中得到盐溶液；（2）将六亚甲基四胺负载于有机绝缘疏水材料表面，浸渍于盐溶液后滴加碳酸钠水溶液，经共沉淀形成层状双金属碳酸盐薄膜；（3）洗涤、烘干后与棒状金属锌复合，低温退火制得所需的负极材料，可使稳定性得到提高。本发明通过层状双金属盐/氢氧化物复合疏水材料在锌负极表面形成保护层，提高了锌的析氢过电位，并隔离了锌与水直接接触，从而有效抑制了水被电产生氢气，避免电池鼓胀和破损，并且具有较高的氢氧根离子传导效率，可以有效保持电池的充放电效率。

Description

一种提高锌空气电池负极材料稳定性的方法
技术领域
本发明涉及锌空气电池领域，公开了一种提高锌空气电池负极材料稳定性的方法。
背景技术
锌空气电池是一种金属空气电池，以空气中的氧气作正极活性物质，电极电位比较负的金属锌作为负极，中性或碱性的电解质水溶液作为电解液。锌空气电池具有比锂离子电池更高的能量密度，同时其电解液为水系，不会燃烧和爆炸，加上原料成本低廉，成为了下一代新能源电池的重要组成。
锌空气电池是一种半蓄电池半燃料电池。首先，负极活性物质同锌锰、铅酸等蓄电池一样封装在电池内部，具有蓄电池的特点；其次，正极活性物质来自电池外部的空气中所含的氧，理论上有无限容量，是燃料电池的典型特征。锌空气电池具有比能量大、制造工艺简单、安全可靠、环保、可再生利用等优势，目前国内的科研工作者对于其体系的研究已经全面展开。
由于锌电极本身的自放电反应，会使锌腐蚀产生锌枝晶，当锌枝晶生长到一定程度，它就会刺穿电池隔膜，使电池发生短路，降低电池性能。另外，由于空气电极中的氧直接进入电池溶于电解液，在反应过程中形成HO2-，如果形成的HO2-未分解，会在空气电极周围积累，使空气电极电位负移，锌电极直接氧化，从而锌电极出现钝化，降低了锌电极的活性。因此，对负极材料稳定性提高的技术方法成为重要研究课题。
中国发明专利申请号201611191755.X公开了一种锌空气电池锌负极材料及其制备方法，负极材料包含金属锌粉、氧化锌粉、粘接剂以及由双层金属氧化物构成的一维管状结构的双功能添加剂，其制备方法是将金属锌粉、氧化锌粉、导电剂及双功能添加剂加入到含粘接剂的溶液中，超声分散处理，再在搅拌条件下，加热蒸发溶剂，得到锌负极材料。锌负极材料中添加有双功能添加剂，双功能添加剂不但可以降低电极内阻，而且为电解液提供扩散通道，从而改善电池的放电容量及倍率性能，同时二氧化钛内层具有超亲水性及绝缘性，有力地增加了电解液扩散通道的输水性能，防止通道的堵塞，有效地延长了电池的循环寿命及容量稳定性。
中国发明专利申请号201711226658.4公开了一种基于编织结构的多孔锌-空气电池负极的制备方法，属于锌-空气电池负极材料技术领域。编织结构的多孔锌-空气电池负极：以金属锌线为原料，通过编织的方法在锌-空气电池电极上造孔，提高其比表面积，形成多孔结构的锌-空气电池负极。采用具有纯度较高、粗细均匀、比表面积较高的金属锌线为原料，通过简单的编织制得具有多孔结构的锌-空气电池负极，有效提高了锌-空气电池负极的利用率。
根据上述，现有方案中锌空气电池的负极材料的析氢腐蚀、枝晶生长、电极变形和钝化等问题，并且负极的金属锌被电解液中的氢氧根离子腐蚀产生氢气，造成负极活性材料的损失和电池鼓胀和破损，现有的对负极材料进行保护的技术方法对腐蚀的抑制作用有限方法。
发明内容
目前应用较广的锌空气电池的负极材料，在碱性电解液中易被腐蚀，造成负极活性材料的损失和电池鼓胀和破损，进而影响了锌空气电池的实际应用。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种提高锌空气电池负极材料稳定性的方法，处理的具体过程为：
（1）将可溶性金属盐加入去离子水中，完全溶解，得到盐溶液；
（2）将六亚甲基四胺负载于薄膜状有机绝缘疏水材料表面，然后浸渍于盐溶液中，再缓慢滴加碳酸钠水溶液，经共沉淀形成有机绝缘疏水材料负载的层状双金属碳酸盐薄膜；
（3）将步骤（2）制得的薄膜洗涤、烘干，通过粘接剂与棒状金属锌复合，再低温退火，制得所需的负极材料，并使稳定性得到提高。
优选的，步骤（1）所述可溶性金属盐中的金属元素包括但不限于镁、铝、镍、钴、锰、铜、铁中的至少两种。
优选的，步骤（1），可溶性金属盐20~30重量份、去离子水70~80重量份。
优选的，步骤（2）所述薄膜状有机绝缘疏水材料包括但不限于聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、乙烯三氟氯乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、全氟烷氧基烷及其他疏水型氟代有机物。所述薄膜状有机绝缘疏水材料为厚度为20微米的拉伸膜。
优选的，步骤（2）中，薄膜状有机绝缘疏水材料20~30重量份、六亚甲基四胺3~5重量份、盐溶液60~74重量份、碳酸钠水溶液3~5重量份。
优选的，步骤（2）所述碳酸钠水溶液的质量浓度为15~20%，可采用相同质量浓度的氢氧化钠水溶液代替。
优选的，步骤（3）所述烘干的温度为50~70℃，时间为20~30h。
优选的，步骤（3）所述粘接剂为环氧树脂粘接剂、酚醛树脂粘接剂、聚氨酯粘接剂、氨基树脂粘接剂中的一种。
优选的，步骤（3）所述低温退火的温度为200~250℃，时间为2~4h。
由上述方法提出的一种提高锌空气电池负极材料稳定性的方法，主要是通过共沉淀法在碱性条件下使金属盐与六亚甲基四胺水解产生沉淀并附着在有机绝缘疏水材料薄膜表面，最后通过洗涤、烘干、粘接、退火将薄膜复合在金属锌表面，形成金属锌-双金属盐/氢氧化物-有机绝缘疏水材料，实现对负极材料稳定性的提高。
本发明提供了一种提高锌空气电池负极材料稳定性的方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、提出了采用层状双金属盐/氢氧化物复合疏水材料作为保护层实现提高锌空气电池负极材料稳定性的方法。
2、通过层状双金属盐/氢氧化物复合疏水材料在锌负极表面形成保护层，提高了锌的析氢过电位，并隔离了锌与水直接接触，从而有效抑制了水被电产生氢气，避免电池鼓胀和破损。
3、本发明形成双金属碳酸盐/氢氧化物保护层，具有较高的氢氧根离子传导效率，可以有效保持电池的充放电效率。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）将可溶性金属盐加入去离子水中，完全溶解，得到盐溶液；可溶性金属盐中为镁、铝；
其中，可溶性金属盐26重量份、去离子水74重量份；
（2）将六亚甲基四胺负载于薄膜状有机绝缘疏水材料表面，然后浸渍于盐溶液中，再缓慢滴加碳酸钠水溶液，经共沉淀形成有机绝缘疏水材料负载的层状双金属碳酸盐薄膜；薄膜状有机绝缘疏水材料为聚四氟乙烯；碳酸钠水溶液的质量浓度为17%；所述薄膜状有机绝缘疏水材料为厚度为20微米的拉伸膜。
其中，薄膜状有机绝缘疏水材料24重量份、六亚甲基四胺4重量份、盐溶液68重量份、碳酸钠水溶液4重量份；
（3）将步骤（2）制得的薄膜洗涤、烘干，通过粘接剂与棒状金属锌复合，再低温退火，制得所需的负极材料，并使稳定性得到提高；烘干的温度为58℃，时间为26h；粘接剂为环氧树脂粘接剂；低温退火的温度为230℃，时间为3h。
实施例1制备并处理的负极材料，其制成的锌空气电池析氢率、比容量及放电时间如表1所示。
实施例2
（1）将可溶性金属盐加入去离子水中，完全溶解，得到盐溶液；可溶性金属盐中为镍、钴；
其中，可溶性金属盐20重量份、去离子水80重量份；
（2）将六亚甲基四胺负载于薄膜状有机绝缘疏水材料表面，然后浸渍于盐溶液中，再缓慢滴加碳酸钠水溶液，经共沉淀形成有机绝缘疏水材料负载的层状双金属碳酸盐薄膜；薄膜状有机绝缘疏水材料为氟化乙烯丙烯共聚物；碳酸钠水溶液的质量浓度为15%；所述薄膜状有机绝缘疏水材料为厚度为20微米的拉伸膜。
其中，薄膜状有机绝缘疏水材料20重量份、六亚甲基四胺3重量份、盐溶液74重量份、碳酸钠水溶液3重量份；
（3）将步骤（2）制得的薄膜洗涤、烘干，通过粘接剂与棒状金属锌复合，再低温退火，制得所需的负极材料，并使稳定性得到提高；烘干的温度为50℃，时间为30h；粘接剂为酚醛树脂粘接剂；低温退火的温度为200℃，时间为4h。
实施例2制备并处理的负极材料，其制成的锌空气电池析氢率、比容量及放电时间如表1所示。
实施例3
（1）将可溶性金属盐加入去离子水中，完全溶解，得到盐溶液；可溶性金属盐中为锰、铜；
其中，可溶性金属盐30重量份、去离子水70重量份；
（2）将六亚甲基四胺负载于薄膜状有机绝缘疏水材料表面，然后浸渍于盐溶液中，再缓慢滴加碳酸钠水溶液，经共沉淀形成有机绝缘疏水材料负载的层状双金属碳酸盐薄膜；薄膜状有机绝缘疏水材料为乙烯三氟氯乙烯；碳酸钠水溶液的质量浓度为20%；所述薄膜状有机绝缘疏水材料为厚度为20微米的拉伸膜。
其中，薄膜状有机绝缘疏水材料30重量份、六亚甲基四胺5重量份、盐溶液60重量份、碳酸钠水溶液5重量份；
（3）将步骤（2）制得的薄膜洗涤、烘干，通过粘接剂与棒状金属锌复合，再低温退火，制得所需的负极材料，并使稳定性得到提高；烘干的温度为70℃，时间为20h；粘接剂为聚氨酯粘接剂；低温退火的温度为250℃，时间为2h。
实施例3制备并处理的负极材料，其制成的锌空气电池析氢率、比容量及放电时间如表1所示。
实施例4
（1）将可溶性金属盐加入去离子水中，完全溶解，得到盐溶液；可溶性金属盐中为镁、铁；
其中，可溶性金属盐22重量份、去离子水78重量份；
（2）将六亚甲基四胺负载于薄膜状有机绝缘疏水材料表面，然后浸渍于盐溶液中，再缓慢滴加碳酸钠水溶液，经共沉淀形成有机绝缘疏水材料负载的层状双金属碳酸盐薄膜；薄膜状有机绝缘疏水材料为乙烯-四氟乙烯共聚物；碳酸钠水溶液的质量浓度为16%；所述薄膜状有机绝缘疏水材料为厚度为20微米的拉伸膜。
其中，薄膜状有机绝缘疏水材料22重量份、六亚甲基四胺3重量份、盐溶液71重量份、碳酸钠水溶液4重量份；
（3）将步骤（2）制得的薄膜洗涤、烘干，通过粘接剂与棒状金属锌复合，再低温退火，制得所需的负极材料，并使稳定性得到提高；烘干的温度为55℃，时间为28h；粘接剂为氨基树脂粘接剂；低温退火的温度为210℃，时间为3.5h。
实施例4制备并处理的负极材料，其制成的锌空气电池析氢率、比容量及放电时间如表1所示。
实施例5
（1）将可溶性金属盐加入去离子水中，完全溶解，得到盐溶液；可溶性金属盐中为铝、镍；
其中，可溶性金属盐27重量份、去离子水73重量份；
（2）将六亚甲基四胺负载于薄膜状有机绝缘疏水材料表面，然后浸渍于盐溶液中，再缓慢滴加碳酸钠水溶液，经共沉淀形成有机绝缘疏水材料负载的层状双金属碳酸盐薄膜；薄膜状有机绝缘疏水材料为全氟烷氧基烷；碳酸钠水溶液的质量浓度为19%；所述薄膜状有机绝缘疏水材料为厚度为20微米的拉伸膜。
其中，薄膜状有机绝缘疏水材料27重量份、六亚甲基四胺5重量份、盐溶液64重量份、碳酸钠水溶液4重量份；
（3）将步骤（2）制得的薄膜洗涤、烘干，通过粘接剂与棒状金属锌复合，再低温退火，制得所需的负极材料，并使稳定性得到提高；烘干的温度为65℃，时间为23h；粘接剂为环氧树脂粘接剂；低温退火的温度为240℃，时间为2.5h。
实施例5制备并处理的负极材料，其制成的锌空气电池析氢率、比容量及放电时间如表1所示。
实施例6
（1）将可溶性金属盐加入去离子水中，完全溶解，得到盐溶液；可溶性金属盐中为钴、锰；
其中，可溶性金属盐25重量份、去离子水75重量份；
（2）将六亚甲基四胺负载于薄膜状有机绝缘疏水材料表面，然后浸渍于盐溶液中，再缓慢滴加碳酸钠水溶液，经共沉淀形成有机绝缘疏水材料负载的层状双金属碳酸盐薄膜；薄膜状有机绝缘疏水材料为聚四氟乙烯；碳酸钠水溶液的质量浓度为18%；所述薄膜状有机绝缘疏水材料为厚度为20微米的拉伸膜。
其中，薄膜状有机绝缘疏水材料25重量份、六亚甲基四胺4重量份、盐溶液67重量份、碳酸钠水溶液4重量份；
（3）将步骤（2）制得的薄膜洗涤、烘干，通过粘接剂与棒状金属锌复合，再低温退火，制得所需的负极材料，并使稳定性得到提高；烘干的温度为60℃，时间为25h；粘接剂为酚醛树脂粘接剂；低温退火的温度为220℃，时间为3h。
实施例6制备并处理的负极材料，其制成的锌空气电池析氢率、比容量及放电时间如表1所示。
对比例1
对比例1中的可溶性金属盐中的金属元素只有镁元素，其他条件与实施例6相同，制备并处理的负极材料，其制成的锌空气电池析氢率、比容量及放电时间如表1所示。
对比例2
对比例2中的可溶性金属盐中的金属元素只有锰元素，其他条件与实施例6相同，制备并处理的负极材料，其制成的锌空气电池析氢率、比容量及放电时间如表1所示。
将实施例1-6、对比例1-2得到的负极材料取1g，加入9mol/L的氢氧化钾溶液中，采用美国LECO公司生产的LECORH -3 型定氢仪进行测试，得到析氢曲线，进而测得析氢率；
将实施例1-6、对比例1-2得到的负极材料做阳极；PVA、水、氢氧化钾(KOH)混合物为电解液；商业空气电极作为阴极，以20mA/cm2进行充放电测试。采用CHI660E电化学工作站和充放电性能测试仪进行试验，电压范围为0.6~1.45V，扫描速率为5mV/s，分别测试首次充放电的比容量和持续放电时间，然后测试循环50次和100次时重复上述试验。
表1：

Claims (9)

1.一种提高锌空气电池负极材料稳定性的方法，其特征在于，处理的具体过程为：
（1）将可溶性金属盐加入去离子水中，完全溶解，得到盐溶液；
（2）将六亚甲基四胺负载于薄膜状有机绝缘疏水材料表面，然后浸渍于盐溶液中，再缓慢滴加碳酸钠水溶液，经共沉淀形成有机绝缘疏水材料负载的层状双金属碳酸盐薄膜；
（3）将步骤（2）制得的薄膜洗涤、烘干，通过粘接剂与棒状金属锌复合，再低温退火，制得所需的负极材料，并使稳定性得到提高。
2.根据权利要求1所述一种提高锌空气电池负极材料稳定性的方法，其特征在于：步骤（1）所述可溶性金属盐中的金属元素包括但不限于镁、铝、镍、钴、锰、铜、铁中的至少两种。
3.根据权利要求1所述一种提高锌空气电池负极材料稳定性的方法，其特征在于：步骤（1）中，可溶性金属盐20~30重量份、去离子水70~80重量份。
4.根据权利要求1所述一种提高锌空气电池负极材料稳定性的方法，其特征在于：步骤（2）所述薄膜状有机绝缘疏水材料包括但不限于聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、乙烯三氟氯乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、全氟烷氧基烷及其他疏水型氟代有机物；所述薄膜状有机绝缘疏水材料为厚度为20微米的拉伸膜。
5.根据权利要求1所述一种提高锌空气电池负极材料稳定性的方法，其特征在于：步骤（2）中，薄膜状有机绝缘疏水材料20~30重量份、六亚甲基四胺3~5重量份、盐溶液60~74重量份、碳酸钠水溶液3~5重量份。
6.根据权利要求1所述一种提高锌空气电池负极材料稳定性的方法，其特征在于：步骤（2）所述碳酸钠水溶液的质量浓度为15~20%。
7.根据权利要求1所述一种提高锌空气电池负极材料稳定性的方法，其特征在于：步骤（3）所述烘干的温度为50~70℃，时间为20~30h。
8.根据权利要求1所述一种提高锌空气电池负极材料稳定性的方法，其特征在于：步骤（3）所述粘接剂为环氧树脂粘接剂、酚醛树脂粘接剂、聚氨酯粘接剂、氨基树脂粘接剂中的一种。
9.根据权利要求1所述一种提高锌空气电池负极材料稳定性的方法，其特征在于：步骤（3）所述低温退火的温度为200~250℃，时间为2~4h。
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