CN110828800A - 一种水系锌离子电池及其正极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种水系锌离子电池，属于水系电池技术领域。包括正极、负极和可循环式电解液，正极为碳包覆锰酸锂、碳包覆磷酸铁锂中的一种，负极为黄铜网，所述可循环式电解液包括溶剂和溶质以及循环装置，溶剂为去离子水，溶质包含可溶性锌盐、锂盐和锰盐。本发明通过固相碳包覆改善了正极材料磷酸铁锂和锰酸锂的导电性，同时避免了正极材料与水的直接接触，进而抑制了正极材料与水的副反应。采用黄铜网作为负极材料，成本低廉，其中铜作为集流体，锌作为活性材料，能够避免纯锌电极结构失效，提高导电性。本发明锌离子电池无需用隔膜，能够保证安全性同时降低成本，能解决现有水系锌离子电池存在的电解液挥发、电池胀气及自放电问题，对水系锌离子电池的发展具有重要推动意义。

Description

一种水系锌离子电池及其正极材料的制备方法
技术领域
本发明属于水系电池技术领域，具体涉及一种水系锌离子电池及其正极材料的制备方法。
背景技术
可充电电池作为一种高效的储能装置，已广泛应用于移动通讯、电子设备、电动汽车等领域。现有的可充电电池,如锂离子电池、铅酸电池和镍氢电池等均存在安全性差、污染、成本高、不能快速充放电等问题。安全、廉价、环保和快速充放电的可充电电池是未来电池的发展方向，研发下一代能量密度更高、充放电速度更快、安全性更强的电池是未来人类生活发展的基石。
锌离子电池是近年来兴起的一种新型二次电池，其具有高能量密度、高功率密度、电池材料无毒、价格低廉、制备工艺简单等特点。这使其在大型储能领域具有很高的应用价值和发展前景。更吸引人的是，锌离子具有二价电荷，这使得锌离子电池可以提供更高的存储容量。锌离子电池还可使用具有高离子电导率的环保型水性电解质。中国专利(CN108807910A)公开了一种锌离子电池，以锰基材料和石墨烯辅助锌作为电极材料，含有可溶性锌盐和锰盐的水溶液为电解液，具有廉价、安全、环保和快速充放电的特点。这种水系锌离子电池的反应机理是基于锌离子在电极材料晶体结构中的嵌入脱出，但由于锌离子的半径远大于锂离子、钠离子,在其嵌入脱出过程中电极材料更容易发生结构坍塌；此外正极材料与水直接接触引起正极溶解从而导致电池容量快速衰减，因此水系锌离子电池的循环寿命较短，不利于其作为可充电电池进行广泛应用。此外，目前的水系锌离子电池仍存在胀气、自放电、电解液挥发等问题。
有鉴于此，本发明旨在提供一种新型水系锌离子电池，且该电池无需隔膜。将碳包覆正极锰酸锂或碳包覆磷酸铁锂应用于水系锌离子电池，能够改善导电性同时改善循环稳定性；将黄铜网作为负极能够避免锌枝晶，减小自腐蚀，增强导电性；结合可循环式电解液，进一步提高水系锌离子电池的循环寿命，能量密度，储存性能。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术不足，而提供一种新型水系锌离子电池，将碳包覆正极应用于水系锌离子电池体系，能够增强正极活性材料的导电性和溶解，从而改善水系锌离子电池的循环性能；将黄铜网负极应用于水系锌离子电池体系能够改善锌负极的结构稳定性和导电性；特别地，将可循环式电解液应用于水系锌离子电池体系能够增强解决电解液挥发、胀气等问题，进一步提高水系锌离子电池的循环寿命和能量密度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种水系锌离子电池，其特征在于，包括正极、负极和可循环式电解液，所述正极为碳包覆锰酸锂、碳包覆磷酸铁锂中的一种，负极为黄铜网，可循环式电解液包括溶剂、溶质、添加剂以及循环装置，所述溶剂为去离子水，溶质包含可溶性锌盐、锂盐和锰盐。
一种如上所述的水系锌离子电池用的正极中活性材料的制备方法，包括以下步骤：
a.取适量磷酸铁锂或锰酸锂置于管式炉中，在氩气氛围中以3～6℃/min的升温速率加热至600～650℃，然后通入20％体积分数的乙炔气体，同时调节氩气体积分数为80％，保温0.5～1.5h；
b.保温过程结束后切断气体碳源，并保持氩气气氛直至管式炉降至室温，收集产物即为碳包覆锰酸锂或碳包覆磷酸铁锂正极活性材料。
进一步地，所述正极包括集流体和附着在集流体上的正极膜，所述正极膜包括90～94wt％的碳包覆磷酸铁锂或碳包覆锰酸锂，2～5wt％的导电剂，1～5wt％的粘结剂。
进一步地，所述负极为黄铜网，其中网的目数为200～500目，黄铜网中铜的含量比为60～70wt％，锌的含量比为30～40wt％。
进一步地，所述导电剂为乙炔黑或科琴黑，粘结剂为聚四氟乙烯或聚偏四氟乙烯或纤维素；所述集流体为200目304不锈钢网或涂炭不锈钢网。
进一步地，所述正极的制备方法为：将碳包覆磷酸铁锂或碳包覆锰酸锂、导电剂、粘结剂均匀混合制浆后，涂覆在集流体上，然后置于真空干燥箱80℃干燥10～15h。
进一步地，所述负极的制备方法为：将黄铜网置于丙酮中超声清洗8-12min，然后浸入乙醇中清洗8-12min，干燥后置于管式炉中，在氢氩混合气氛中以 3～5℃/min的升温速率加热至300～450℃保温2～3h，降温后得到负极待用。
进一步地，所述循环装置包含塑料储液罐、循环泵和电解液分流器。
进一步地，所述可溶性锌盐为七水硫酸锌、氯化锌和硝酸锌中的一种；所述锂盐为硝酸锂、一水硫酸锂和氯化锂中的一种；所述锰盐为一水硫酸锰、乙酸锰、硝酸锰和三氟甲烷磺酸锰中一种；所述可溶性锌盐的摩尔浓度为2～3mol/L，所述可溶性锂盐的摩尔浓度为1～3mol/L，所述可溶性锰盐的摩尔浓度为1～2mol/L。
进一步地，所述电解液添加剂为硫脲，尿素及聚乙烯醇中的一种或几种；锌离子电池具有2个电解液接口，能够实现电解液进出循环、更换、补充。
相比于现有技术，本发明至少具有如下优点：
1、通过固相碳包覆改善了正极材料磷酸铁锂和锰酸锂的导电性，同时避免了正极材料与水的直接接触，进而抑制了正极材料与水的副反应；
2、本发明采用黄铜网作为负极材料，成本低廉，其中铜作为集流体，锌作为活性材料，能够避免纯锌电极结构失效，提高导电性；
3、本发明的锌离子电池无需采用隔膜，能够保证安全性同时降低成本；
4、可循环式电解液能够解决现有水系锌离子电池存在的电解液挥发、电池胀气以及自放电问题。
附图说明
图1为本发明制备的新型水系锌离子电池的结构示意图。
图2为本发明实施例一制备的新型水系锌离子电池正极碳包覆磷酸铁锂活性材料的FESEM照片。
图3为本发明实施例二制备的新型水系锌离子电池正极碳包覆锰酸锂活性材料的FESEM照片。
图4为本发明实施例一制备的新型水系锌离子电池的充放电曲线
图5为本发明实施例一制备的新型水系锌离子电池的循环性能。
具体实施方式
实施例一
本实施例提供一种新型水系锌离子电池，包括正极、负极和可循环式电解液，正极为碳包覆磷酸铁锂正极，负极为黄铜网，可循环式电解液包括溶剂、溶质、添加剂以及循环装置，溶剂为去离子水，溶质包含可溶性锌盐和锂盐。
该碳包覆磷酸锂铁正极包括集流体和附着在集流体上的正极膜，正极膜包括90wt％的碳包覆磷酸铁锂材料，5wt％的导电剂，5wt％的粘结剂。
该碳包覆磷酸锂铁正极的制备方法为：将碳包覆磷酸铁锂、导电剂、粘结剂均匀混合制浆后，涂覆在200目的304不锈钢网上，然后置于真空干燥箱80℃干燥10h。
该黄铜网负极的制备方法为：将黄铜网置于丙酮中超声清洗10min，然后浸入乙醇中清洗10min，干燥后置于管式炉中，在氢氩混合气氛中以5℃/min的升温速率加热至350℃保温2h。
该可循环式电解液的制备方法为：将溶剂和可溶性锌盐，锂盐按固定质量比例称量后，导入储液罐，然后放入循环泵密封。
其中可溶性锌盐为七水硫酸锌，锂盐为一水硫酸锂，可溶性锌盐的浓度为 2mol/L，锂盐为1mol/L。电解液添加剂为硫脲，占电解液总质量的1wt％。
整个水系锌离子电池的制备方法包括如下步骤：
第一步，碳包覆磷酸铁锂正极的制备：90wt％的碳包覆磷酸铁锂，5wt％的科琴黑，5wt％的聚偏四氟乙烯均匀混合制成浆料后，涂覆在200目的304不锈钢网上，然后80℃真空干燥10h。
第二步，黄铜网负极的制备：置于丙酮中超声清洗10min，然后浸入乙醇中清洗10min，干燥后置于管式炉中，在氢氩混合气氛中以5℃/min的升温速率加热至350℃保温2h。
第三步：将220g去离子水、173g七水硫酸锌和36g一水硫酸锂倒入储液罐，搅拌混合均匀，然后放入循环泵密封，分流器接入水系锌离子电池电解液接口。
第四步，水系锌离子电池的制备：以碳包覆磷酸铁锂为正极活性物质，负极材料为黄铜网，可循环式电解液为包含2mol/L的硫酸锌和1mol/L的硫酸锂混合水溶液，并添加1wt％的硫脲。
图1为实施例一制备的新型水系锌离子的结构示意图，图2为实施例一制备的正极活性材料的扫描电镜照片，图3和图4为实施例一制备的水系锌离子电池的充放电曲线和循环性能数据。
实施例二
本实施例提供一种新型水系锌离子电池，包括正极、负极和可循环式电解液，正极为碳包覆锰酸锂正极，负极为黄铜网，可循环式电解液包括溶剂、溶质、添加剂以及循环装置，溶剂为去离子水，溶质包含可溶性锌盐、锂盐和锰盐。
该碳包覆锰酸锂正极包括集流体和附着在集流体上的正极膜，正极膜包括90wt％的碳包覆锰酸锂材料，5wt％的导电剂，5wt％的粘结剂。
该碳包覆锰酸锂正极的制备方法为：将碳包覆锰酸锂、导电剂、粘结剂均匀混合制浆后，涂覆在200目的304不锈钢网上，然后置于真空干燥箱80℃干燥 10h。
该黄铜网负极的制备方法为：将黄铜网置于丙酮中超声清洗10min，然后浸入乙醇中清洗10min，干燥后置于管式炉中，在氢氩混合气氛中以5℃/min的升温速率加热至350℃保温2h。
该可循环式电解液的制备方法为：将溶剂和可溶性锌盐、锂盐及锰盐按固定质量比称量后，导入储液罐，然后放入循环泵密封。
其中可溶性锌盐为七水硫酸锌，锂盐为一水硫酸锂，锰盐为三氟甲烷磺酸锰可溶性锌盐的浓度为2mol/L，锂盐为1mol/L，锰盐为0.5mol/L。电解液添加剂为硫脲，占电解液总质量的1wt％。
整个水系锌离子电池的制备方法包括如下步骤：
第一步，碳包覆锰酸锂正极的制备：90wt％的碳包覆锰酸锂，5wt％的科琴黑，5wt％的聚偏四氟乙烯均匀混合制成浆料后，涂覆在200目的304不锈钢网上，然后80℃真空干燥10h。
第二步，黄铜网负极的制备：置于丙酮中超声清洗10min，然后浸入乙醇中清洗10min，干燥后置于管式炉中，在氢氩混合气氛中以5℃/min的升温速率加热至350℃保温2h。
第三步：将220g去离子水、173g七水硫酸锌、36g一水硫酸锂和25g一水硫酸锰倒入储液罐，搅拌混合均匀，然后放入循环泵密封，分流器接入水系锌离子电池电解液接口。
第四步，水系锌离子电池的制备：以碳包覆锰酸锂为正极活性物质，负极材料为黄铜网，可循环式电解液为包含2mol/L的硫酸锌、1mol/L的硫酸锂和 0.5mol/L的硫酸锰混合水溶液，并添加1wt％的硫脲。
实施例三
本实施例提供一种新型水系锌离子电池，包括正极、负极和可循环式电解液，正极为碳包覆磷酸铁锂正极，负极为黄铜网，可循环式电解液包括溶剂、溶质、添加剂以及循环装置，溶剂为去离子水，溶质包含可溶性锌盐和锂盐。
该碳包覆磷酸锂铁正极包括集流体和附着在集流体上的正极膜，正极膜包括95wt％的碳包覆磷酸铁锂材料，3wt％的导电剂，2wt％的粘结剂。
该碳包覆磷酸锂铁正极的制备方法为：将碳包覆磷酸铁锂、导电剂、粘结剂均匀混合制浆后，涂覆在200目的涂炭不锈钢网上，然后置于真空干燥箱80℃干燥10h。
该黄铜网负极的制备方法为：将黄铜网置于丙酮中超声清洗10min，然后浸入乙醇中清洗10min，干燥后置于管式炉中，在氢氩混合气氛中以5℃/min的升温速率加热至350℃保温2h。
该可循环式电解液的制备方法为：将溶剂和可溶性锌盐，锂盐按固定质量比例称量后，导入储液罐，然后放入循环泵密封。
其中可溶性锌盐为七水硫酸锌，锂盐为一水硫酸锂，可溶性锌盐的浓度为 3mol/L，锂盐为1mol/L。电解液添加剂为硫脲，占电解液总质量的1wt％。
整个水系锌离子电池的制备方法包括如下步骤：
第一步，碳包覆磷酸铁锂正极的制备：95wt％的碳包覆磷酸铁锂，3wt％的科琴黑，2wt％的聚偏四氟乙烯均匀混合制成浆料后，涂覆在200目的涂炭不锈钢网上，然后80℃真空干燥10h。
第二步，黄铜网负极的制备：置于丙酮中超声清洗10min，然后浸入乙醇中清洗10min，干燥后置于管式炉中，在氢氩混合气氛中以5℃/min的升温速率加热至350℃保温2h。
第三步：将200g去离子水、255g七水硫酸锌和36g一水硫酸锂倒入储液罐，搅拌混合均匀，然后放入循环泵密封，分流器接入水系锌离子电池电解液接口。
第四步，水系锌离子电池的制备：以碳包覆磷酸铁锂为正极活性物质，负极材料为黄铜网，可循环式电解液为包含3mol/L的硫酸锌和1mol/L的硫酸锂混合水溶液，并添加1wt％的硫脲。
实施例四
本实施例提供一种新型水系锌离子电池，包括正极、负极和可循环式电解液，正极为碳包覆锰酸锂正极，负极为黄铜网，可循环式电解液包括溶剂、溶质、添加剂以及循环装置，溶剂为去离子水，溶质包含可溶性锌盐、锂盐和锰盐。
该碳包覆锰酸锂正极包括集流体和附着在集流体上的正极膜，正极膜包括92wt％的碳包覆锰酸锂材料，5wt％的导电剂，3wt％的粘结剂。
该碳包覆锰酸锂正极的制备方法为：将碳包覆锰酸锂、导电剂、粘结剂均匀混合制浆后，涂覆在200目的涂炭不锈钢网上，然后置于真空干燥箱80℃干燥 10h。
该黄铜网负极的制备方法为：将黄铜网置于丙酮中超声清洗10min，然后浸入乙醇中清洗10min，干燥后置于管式炉中，在氢氩混合气氛中以5℃/min的升温速率加热至300℃保温2h。
该可循环式电解液的制备方法为：将溶剂和可溶性锌盐、锂盐及锰盐按固定质量比称量后，导入储液罐，然后放入循环泵密封。
其中可溶性锌盐为七水硫酸锌，锂盐为一水硫酸锂，锰盐为三氟甲烷磺酸锰可溶性锌盐的浓度为2mol/L，锂盐为1mol/L，锰盐为0.2mol/L。电解液添加剂为硫脲，占电解液总质量的1wt％。
整个水系锌离子电池的制备方法包括如下步骤：
第一步，碳包覆锰酸锂正极的制备：92wt％的碳包覆锰酸锂，5wt％的科琴黑，3wt％的聚偏四氟乙烯均匀混合制成浆料后，涂覆在200目涂炭不锈钢网上，然后80℃真空干燥10h。
第二步，黄铜网负极的制备：置于丙酮中超声清洗10min，然后浸入乙醇中清洗10min，干燥后置于管式炉中，在氢氩混合气氛中以5℃/min的升温速率加热至300℃保温2h。
第三步：将220g去离子水、173g七水硫酸锌、36g一水硫酸锂和10g一水硫酸锰倒入储液罐，搅拌混合均匀，然后放入循环泵密封，分流器接入水系锌离子电池电解液接口。
第四步，水系锌离子电池的制备：以碳包覆锰酸锂为正极活性物质，负极材料为黄铜网，可循环式电解液为包含2mol/L的硫酸锌、1mol/L的硫酸锂和 0.2mol/L的硫酸锰混合水溶液，并添加1wt％的硫脲。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水系锌离子电池，其特征在于，包括正极、负极和可循环式电解液，所述正极为碳包覆锰酸锂、碳包覆磷酸铁锂中的一种，负极为黄铜网，可循环式电解液包括溶剂、溶质、添加剂以及循环装置，所述溶剂为去离子水，溶质包含可溶性锌盐、锂盐和锰盐。
2.根据权利要求1所述的水系锌离子电池用的正极材料的制备方法，其特征在于，所述正极中活性材料的制备方法，包括以下步骤：
a.取适量磷酸铁锂或锰酸锂置于管式炉中，在氩气氛围中以3～6℃/min的升温速率加热至600～650℃，然后通入20％体积分数的乙炔气体，同时调节氩气体积分数为80％，保温0.5～1.5h；
b.保温过程结束后切断气体碳源，并保持氩气气氛直至管式炉降至室温，收集产物即为碳包覆锰酸锂或碳包覆磷酸铁锂正极活性材料。
3.根据权利要求1所述的水系锌离子电池，其特征在于，所述正极包括集流体和附着在集流体上的正极膜，所述正极膜包括90～94wt％的碳包覆磷酸铁锂或碳包覆锰酸锂，2～5wt％的导电剂，1～5wt％的粘结剂。
4.根据权利要求1所述的水系锌离子电池，其特征在于，所述负极为黄铜网，其中网的目数为200～500目，黄铜网中铜的含量比为60～70wt％，锌的含量比为30～40wt％。
5.根据权利要求3所述的水系锌离子电池，其特征在于，所述导电剂为乙炔黑或科琴黑，粘结剂为聚四氟乙烯或聚偏四氟乙烯或纤维素；所述集流体为200目304不锈钢网或涂炭不锈钢网。
6.根据权利要求3所述的水系锌离子电池，其特征在于，所述正极的制备方法为：将碳包覆磷酸铁锂或碳包覆锰酸锂、导电剂、粘结剂均匀混合制浆后，涂覆在集流体上，然后置于真空干燥箱80℃干燥10～15h。
7.根据权利要求4所述的水系锌离子电池，其特征在于，所述负极的制备方法为：将黄铜网置于丙酮中超声清洗8-12min，然后浸入乙醇中清洗8-12min，干燥后置于管式炉中，在氢氩混合气氛中以3～5℃/min的升温速率加热至300～450℃保温2～3h，降温后得到负极待用。
8.根据权利要求1或5所述的水系锌离子电池，其特征在于，所述循环装置包含塑料储液罐、循环泵和电解液分流器。
9.根据权利要求1所述的水系锌离子电池，其特征在于，所述可溶性锌盐为七水硫酸锌、氯化锌和硝酸锌中的一种；所述锂盐为硝酸锂、一水硫酸锂和氯化锂中的一种；所述锰盐为一水硫酸锰、乙酸锰、硝酸锰和三氟甲烷磺酸锰中一种；所述可溶性锌盐的摩尔浓度为2～3mol/L，所述可溶性锂盐的摩尔浓度为1～3mol/L，所述可溶性锰盐的摩尔浓度为1～2mol/L。
10.根据权利要求1所述的水系锌离子电池，其特征在于，所述电解液添加剂为硫脲，尿素及聚乙烯醇中的一种或几种；锌离子电池具有2个电解液接口，能够实现电解液进出循环、更换、补充。
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