CN113964312B - 一种高导电网状结构锌膏负极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电化学领域，尤其是一种高导电网状结构锌膏负极及其制备方法，所述高导电网状结构锌膏负极组成原料为锌粉60～80wt％，氨基化碳网状导电组分20～40wt％，氧化铈0.2～0.5wt％，氢氧化铟0.1～0.3wt％；所述高导电网状结构锌膏负极的制备方法为将锌粉、氧化铈和氢氧化铟加入乙二醇溶液中，边加边超声至锌粉均匀的分散至乙二醇溶剂中，再加入氨基化碳网状导电组分在常温下搅拌反应得到氨基化碳网状导电组酚包覆锌粉材料；再将凝胶增稠剂和粘结剂并干燥、粉碎，再用模具压制成型得到锌负极。该通过添加氨基化碳纳米管或碳纤维等纤维状导电组分，既增强锌粉表面导电性又通过构建导电网状结构提高锌膏整体的导电性和存储稳定性，尤其提高大电流放电性能。

Description

一种高导电网状结构锌膏负极及其制备方法

技术领域

本发明属于电化学领域，涉及锌锰电池负极，尤其是一种高导电网状结构锌膏负极及其制备方法。

背景技术

随着地球有限不可再生资源的日益减少及保护生态环境意识的提升，国家对新能源的开发越来越重视，各种新能源（例如太阳能、电能等）的研究和应用范围越来越广。导电电池就是近期高速发展和应用的典范，电子产品的种类繁多、规格不一，但对其电池的性能需求都一致，即大容量充放电。

锌锰电池以锌为负极，二氧化锰为正极，氢氧化钠或氢氧化钾为电解质，其锌负极材料具有成本低、储量丰富、环境友好，并且可进行大容量充放电，是目前研究比较热的电池之一，但锌粉在放电或储存过程中因与碱性电解液反应生成不导电锌化合物带来导电性降低，为阻止锌粉与电解液反应，经常在锌粉表面包覆导电保护层。中国专利CN 110364692A公开一种具有多相材料复合锌负极，通过在锌粉中添加炭黑、石墨或活性炭等导电材料，再添加无机金属制备出多孔结构的锌负极，但该发明中采用炭黑、石墨或活性炭导电物质在电解液中与锌粉带相同电荷，相互排斥不能与锌粉表面形成很好的接触；并且在锌膏长时间的存储过程中，由于石墨和活性炭等碳材料与锌粉的比重差异大会造成锌粉与导电碳材料分层偏析，实际起到的导电性能大大降低。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明通过添加氨基化碳纳米管或碳纤维等纤维状导电组分，既增强锌粉表面导电性又通过构建导电网状结构提高锌膏整体的导电性和存储稳定性，尤其提高大电流放电性能。

为实现上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种高导电网状结构锌膏负极，其组成组分及其重量分数如下：

锌粉60~80 wt%

氨基化碳网状导电组分 20~40 wt%

氧化铈 0.2~0.5 wt%

氢氧化铟 0.1~0.3 wt%

作为优选，所述高导电网状结构锌膏负极原料组分为锌粉65~70 wt%，氨基化碳网状导电组分 25~35 wt%，氧化铈 0.3~0.4 wt%，氢氧化铟 0.2 wt%。

进一步的，所述氨基化碳网状导电组分为氨基化碳纳米管、氨基化碳纤维中的一种或多种。

进一步的，所述锌粉的粒径为0.5~8.0μm，所述氨基化碳网状导电组分的粒径为15~50μm，所述氧化铈和氢氧化铟的粒径为10~50μm。

进一步的，所述高导电网状结构锌膏负极还包括凝胶增稠剂和粘结剂，所述凝胶增稠剂占锌负极总重量的3~10 wt%，所述粘结剂占锌负极总重量的1~5 wt%。

进一步的，所述凝胶增稠剂为聚丙烯酰胺磺酸盐、聚甲基丙烯酸酯、聚N，N-二甲基丙烯酰胺、N-乙烯基乙酰胺、聚乙二醇丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯醚、聚烷基丙烯酸酯中的一种或多种。

进一步的，所述粘结剂为聚氧乙烯醚、聚四氟乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醛缩丁醇种的一种或多种。

一种上述所述高导电网状结构锌膏负极的制备方法，包括如下步骤：

（1）将锌粉、氧化铈和氢氧化铟加入乙二醇溶液中，边加边超声至锌粉均匀的分散至乙二醇溶剂中，其中，锌粉与乙二醇的重量比为1：5~10；

（2）将氨基化碳网状导电组分加入（1）中，在常温下搅拌3~6 h，得到氨基化碳网状导电组酚包覆锌粉材料；

（3）再将凝胶增稠剂和粘结剂加入（2）中，加热至65~75℃下继续搅拌2~3 h,再将其置于70℃的烘箱中真空干燥，得到锌负极块状物；

（4）将（3）中锌负极块状物粉碎，再用模具压制成型得到锌负极。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.由于锌粉在强碱性溶液表面带负电，在碱性电解液中添加氨基化导电碳纳米管或碳纤维，通过电荷效应，搅拌过程中碳纳米管或碳纤维可以有效包覆在锌粉表面，可以减少锌粉在放电或储存过程中因与电解液反应生成不导电锌化合物带来导电性降低；

2.锌粉表面包覆氨基化导电碳纳米管或碳纤维后，再添加凝胶增稠剂，锌粉表面部分氨基可以与凝胶增稠剂反应，一方面凝胶剂可以更好的贴合在锌粉表面形成缓蚀保护层，另一方面凝胶剂可以残留与电解液体系内的氨基化导电碳纳米管或碳纤维形成网状结构，增加锌膏整体粘度和存储稳定性；

3.在锌粉负极中加入粘结剂，既增加锌粉材料之间的粘结，并且粘结剂中的聚乙二醇可以通过聚氧乙烯中的氧原子吸附在锌表面，进一步阻止锌的腐蚀；

4.锌负极材料中加入氧化铈和氢氧化铟，降低电池的内阻，提高电池的储电性能，同时大大提高有效电量，减低材料自身耗电。

附图说明

图1 是本发明在1000mA电流下，实验组和对比组放量性能对比。

具体实施例

实验组：

一种高导电网状结构锌膏负极，其组成组分及其重量分数如下：

锌粉68 wt%，粒径为2μm；

氨基化碳纳米管25 wt%，粒径为35μm；

氧化铈 0.3 wt%，粒径为25μm；

氢氧化铟 0.2 wt% ，粒径为30μm；

凝胶增稠剂聚丙烯酰胺磺酸盐和N-乙烯基乙酰胺占锌负极总重量的5 wt%；占锌负极总重量的2wt%。

凝胶增稠剂聚丙烯酰胺磺酸盐和N-乙烯基乙酰胺占锌负极总重量的5 wt%；占锌负极总重量的2wt%。

（1）将10g锌粉、0.044g氧化铈和0.029g氢氧化铟、加入80g乙二醇溶液中，边加边超声至锌粉均匀的分散至乙二醇溶剂中；

（2）将3.7g氨基化碳纳米管加入（1）中，在常温下搅拌4 h，得到氨基化碳网状导电组酚包覆锌粉材料；

（3）将0.44g聚丙烯酰胺磺酸盐、0.29gN-乙烯基乙酰胺、0.15g聚氧乙烯醚和0.15g聚乙二醇粘结剂加入（2）中，加热至70℃下继续搅拌2.5h,再将其置于70℃的烘箱中真空干燥，得到锌负极块状物；

（4）将（3）中锌负极块状物粉碎，再用模具压制成型得到锌负极。

对比组：

对比组除氨基化碳纳米管25 wt%用碳黑代替外，其余都与实验组相同。

将实验组与对比组得到的电池负极用1000mA电流进行放量测试，测试结果见图1，实验组放电次数达到620次，而对比组只有580次，从实验结果可以得出，采用导电网状结构，其高电流放电性能提高6.9%。

本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的用来更深刻理解本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明保护范围内。

Claims (5)

1.一种高导电网状结构锌膏负极，其特征在于，所述高导电网状结构锌膏负极的组分及其重量分数如下：

锌粉60~80 wt%

氨基化碳网状导电组分 20~40 wt%

氧化铈 0.2~0.5 wt%

氢氧化铟 0.1~0.3 wt%；

所述氨基化碳网状导电组分为氨基化碳纳米管、氨基化碳纤维中的一种或多种；

所述高导电网状结构锌膏负极还包括凝胶增稠剂和粘结剂，所述凝胶增稠剂占锌负极总重量的3~10 wt%，所述粘结剂占锌负极总重量的1~5 wt%；

所述凝胶增稠剂为聚丙烯酰胺磺酸盐、聚甲基丙烯酸酯、聚N，N-二甲基丙烯酰胺、N-乙烯基乙酰胺、聚乙二醇丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯醚、聚烷基丙烯酸酯中的一种或多种。

2.如权利要求1所述一种高导电网状结构锌膏负极，其特征在于，所述高导电网状结构锌膏负极原料组分为锌粉65~70 wt%，氨基化碳网状导电组分 25~35 wt%，氧化铈 0.3~0.4wt%，氢氧化铟 0.2 wt%。

3.如权利要求1或2所述一种高导电网状结构锌膏负极，其特征在于，所述锌粉的粒径为0.5~8.0μm，所述氨基化碳网状导电组分的粒径为15~50μm，所述氧化铈和氢氧化铟的粒径为10~50μm。

4.如权利要求1所述一种高导电网状结构锌膏负极，其特征在于，所述粘结剂为聚氧乙烯醚、聚四氟乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醛缩丁醇种的一种或多种。

5.一种如权利要求1所述高导电网状结构锌膏负极的制备方法，包括如下步骤：

（1）将锌粉、氧化铈和氢氧化铟加入乙二醇溶液中，边加边超声至锌粉均匀的分散至乙二醇溶剂中，其中，锌粉与乙二醇的质量比为1：5~10；

（2）将氨基化碳网状导电组分加入（1）中，在常温下搅拌3~6 h，得到氨基化碳网状导电组酚包覆锌粉材料；

（3）再将凝胶增稠剂和粘结剂加入（2）中，加热至65~75℃下继续搅拌2~3 h,再将其置于70℃的烘箱中真空干燥，得到锌负极块状物；

（4）将（3）中锌负极块状物粉碎，再用模具压制成型得到锌负极。