CN114784245A - 一种含有机膨胀剂的锌电极及其制备方法 - Google Patents

一种含有机膨胀剂的锌电极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种含有机膨胀剂的锌电极，以质量配比计，包括以下原料：膨胀剂：0.001％‑1％；氧化铋：0‑5％；聚四氟乙烯：0.5％‑5％；增稠剂：0.1％‑3％；余量为氧化锌及其他不可避免的杂质；所述的膨胀剂为木质素和木质素磺酸盐中的一种或多种。本发明还提供了上述锌电极的制备方法，通过本发明制备获得的锌电极充放电次数多，且解决了目前常规锌电极容易在充电时生成金属层导致锌电极的表面积缩小，同时在放电时表现出较大极化电阻，导致电池的容量降低的问题。

Description

一种含有机膨胀剂的锌电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及电池电极材料技术领域，具体而言，涉及一种含有机膨胀剂的锌电极及其制备方法。
背景技术
锌镍电池的研究其实已经有一百多年的历史了，但由于充放电产生的锌枝晶、溶解等问题没有得到彻底解决，因此未能大规模应用。随着社会的发展，人们对高能、低廉价格、环保、安全电池的需求日益旺盛，尤其是最近几年内，国内外科研机构以及企业单位对锌镍电池的研究成果较为突出，据悉，美国能杰系统有限公司研制的锌镍电池(AA型)，寿命可达500次，法国的SCPS公司开发的锌镍电池寿命达到了2000次。
锌镍电池在业内的共识是适用于高倍率充放电，在高倍率充放电时往往可以获得较长的寿命，但小电流低倍率下循环使用寿命要短的多，有时寿命会减少50％以上。这主要因为锌电极在小电流充电时，锌更容易生成致密的金属层而导致锌电极的表面积缩小，而这种致密化的金属锌在放电时也会表现出较大极化电阻，导致电池的容量降低。
目前行业内没有有效的办法解决这一问题，基本是通过降低负极利用的办法加以解决，但这会导致成本的上升和比能量的下降，对以上问题同样无法较好地进行解决。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种含有机膨胀剂的锌电极，以解决目前常规锌电极容易在充电时生成金属层导致锌电极的表面积缩小，同时在放电时表现出较大极化电阻，导致电池的容量降低的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种含有机膨胀剂的锌电极，以质量配比计，包括以下原料：
膨胀剂：0.001％-1％；
氧化铋：0.001％-5％；
聚四氟乙烯：0.5％-5％；
增稠剂：0.1％-3％；
余量为氧化锌及其他不可避免的杂质；
所述的膨胀剂为木质素和木质素磺酸盐中的一种或两种。
作为优选的方案，包括以下原料：
膨胀剂：0.1％；
氧化铋：3％；
聚四氟乙烯：3％；
增稠剂：0.5％；
余量为氧化锌及其他不可避免的杂质。
作为优选的方案，所述的木质素磺酸盐为木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钾、木质素磺酸镁中的一种或多种。
作为优选的方案，所述的增稠剂为羧甲基纤维素或羟乙基纤维素。
本发明要解决的另一个技术问题是：提供一种用于制备上述含有机膨胀剂的锌电极的方法，以解决常规方法制备锌电极采用降低负极利用的办法，而导致的成本的上升和比能量的下降的问题；
为了解决以上问题，本发明提供了一种用于制备上述含有机膨胀剂的锌电极的方法，包括以下步骤：
S1：原料混合：将增稠剂与水混合制备得到胶水；同时将氧化铋和氧化锌混合后，加入聚四氟乙烯得到混合物料；
S2：物料混合：分次将步骤S1制备得到的所述混合物料加入至所述胶水中，并进行搅拌；
S3：电极生产：加入膨胀剂至步骤S2搅拌后的物料中，并进行搅拌得到电极浆液，将所述电极浆液涂布至电极极片上，烘干即得到含有机膨胀剂的锌电极。
作为优选的方案，所述步骤S1中，所述聚四氟乙烯的加入方法为喷雾法，具体包括：将聚四氟乙烯以喷雾法加入至氧化铋和氧化锌的混合料中，在喷雾的过程中同时搅拌混合料。
作为优选的方案，所述步骤S1中，所述增稠剂与水的质量配比为1:100-3:100。
作为优选的方案，所述步骤S2中，所述分次的次数为3-5次。
作为优选的方案，所述步骤S2中，搅拌速度为1000-2500转/min；所述步骤S3中，搅拌速度为1000-2500转/min。
作为优选的方案，所述步骤S3中，所述电极浆液的粘度为20000-80000mPa·s。
本发明通过选用膨胀剂为木质素和木质素磺酸盐中的一种或多种，从而解决了锌负极的致密化问题，在充电时膨胀剂吸附在锌的表面，提高了表面活化能，使生成的金属锌层相对蓬松多孔，进而解决电池的致密化问题。木质素及其磺酸盐对锌有很好的吸附作用，添加量在本发明的范围内可以使得本发明的锌电极致密化问题得到解决，并且本发明中加入的氧化铋能够改善锌电极对的功率性能，与上述的膨胀剂协同作用改善最终锌电极的充放电效果，提高充放电的寿命。
附图说明
图1为本发明实施例1、实施例2与空白对照组的容量-循环次数关系图；
图1中，容量＝7000mAh时，从左到右依次为空白对照组、实施例2、实施例1的循环曲线。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种含有机膨胀剂的锌电极，以质量配比计，包括以下原料：
膨胀剂：0.001％-1％；
氧化铋：0.001％-5％；
聚四氟乙烯：0.5％-5％；
增稠剂：0.1％-3％；
余量为氧化锌及其他不可避免的杂质；
所述的膨胀剂为木质素和木质素磺酸盐中的一种或多种。
作为优选的方案，包括以下原料：
膨胀剂：0.1％；
氧化铋：3％；
聚四氟乙烯：3％；
增稠剂：0.5％；
余量为氧化锌及其他不可避免的杂质。
作为优选的方案，所述的木质素磺酸盐为木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钾、木质素磺酸镁中的一种或两种。
作为优选的方案，所述的增稠剂为羧甲基纤维素或羟乙基纤维素。
本发明还提供了一种用于制备上述含有机膨胀剂的锌电极的方法，包括以下步骤：
S1：原料混合：将增稠剂与水混合制备得到胶水；同时将氧化铋和氧化锌混合后，加入聚四氟乙烯得到混合物料；
S2：物料混合：分次将步骤S1制备得到的所述混合物料加入至所述胶水中，并进行搅拌；
S3：电极生产：加入膨胀剂至步骤S2搅拌后的物料中，并进行搅拌得到电极浆液，将所述电极浆液涂布至电极极片上，烘干即得到含有机膨胀剂的锌电极。
作为优选的方案，所述步骤S1中，所述聚四氟乙烯的加入方法为喷雾法，具体包括：将聚四氟乙烯以喷雾法加入至氧化铋和氧化锌的混合料中，在喷雾的过程中同时搅拌混合料。
作为优选的方案，所述步骤S1中，所述增稠剂与水的质量配比为1:100-3:100。
作为优选的方案，所述步骤S2中，所述分次的次数为3-5次。
作为优选的方案，所述步骤S2中，搅拌速度为1000-2500转/min；所述步骤S3中，搅拌速度为1000-2500转/min。
作为优选的方案，所述步骤S3中，所述电极浆液的粘度为20000-80000mPa·s。
以下结合具体的数据来对本发明上述的方案进行说明：
实施例1：
一种含有机膨胀剂的锌电极，以质量配比计，包括以下原料：
膨胀剂：0.1％；
氧化铋：3％；
聚四氟乙烯：3％；
增稠剂：0.5％；
余量为氧化锌及其他不可避免的杂质；
所述含有机膨胀剂的锌电极的制备方法如下：
S1：原料混合：将增稠剂CMC与水以2：100混合制备得到胶水；同时将氧化铋和氧化锌混合后，将PTFE(聚四氟乙烯)以喷雾法将入物料中，边搅拌边喷雾，混合搅拌后得到混合物料；
S2：物料混合：分5次将步骤S1制备得到的所述混合物料加入至所述胶水中，并进行搅拌；
S3：电极生产：加入膨胀剂(木质素和木质素磺酸钠)至步骤S2搅拌后的物料中，并进行搅拌得到电极浆液，将所述电极浆液涂布至电极极片上，烘干即得到含有机膨胀剂的锌电极。
所述步骤S2中，搅拌速度为2000转/min；所述步骤S3中，搅拌速度为2000转/min。
所述步骤S3中，所述电极浆液的粘度为40000mPa·s。
实施例2：
一种含有机膨胀剂的锌电极，以质量配比计，包括以下原料：
膨胀剂：0.2％；
氧化铋：3％；
聚四氟乙烯：3％；
增稠剂：0.5％；
余量为氧化锌及其他不可避免的杂质；
所述含有机膨胀剂的锌电极的制备方法如下：
S1：原料混合：将增稠剂CMC与水以2：100混合制备得到胶水；同时将氧化铋和氧化锌混合后，将PTFE(聚四氟乙烯)以喷雾法将入物料中，边搅拌边喷雾，混合搅拌后得到混合物料；
S2：物料混合：分5次将步骤S1制备得到的所述混合物料加入至所述胶水中，并进行搅拌；
S3：电极生产：加入膨胀剂(木质素和木质素磺酸钠)至步骤S2搅拌后的物料中，并进行搅拌得到电极浆液，将所述电极浆液涂布至电极极片上，烘干即得到含有机膨胀剂的锌电极。
所述步骤S2中，搅拌速度为2000转/min；所述步骤S3中，搅拌速度为2000转/min。
所述步骤S3中，所述电极浆液的粘度为40000mPa·s。
实施例3：
一种含有机膨胀剂的锌电极，以质量配比计，包括以下原料：
膨胀剂：0.001％；
氧化铋：0.001％；
聚四氟乙烯：0.5％；
增稠剂：0.1％；
余量为氧化锌及其他不可避免的杂质；
所述含有机膨胀剂的锌电极的制备方法如下：
S1：原料混合：将增稠剂HEC与水以1：100混合制备得到胶水；同时将氧化铋和氧化锌混合后，将PTFE(聚四氟乙烯)以喷雾法将入物料中，边搅拌边喷雾，混合搅拌后得到混合物料；
S2：物料混合：分3次将步骤S1制备得到的所述混合物料加入至所述胶水中，并进行搅拌；
S3：电极生产：加入膨胀剂(木质素和木质素磺酸钙)至步骤S2搅拌后的物料中，并进行搅拌得到电极浆液，将所述电极浆液涂布至电极极片上，烘干即得到含有机膨胀剂的锌电极。
所述步骤S2中，搅拌速度为1000转/min；所述步骤S3中，搅拌速度为1000转/min。
所述步骤S3中，所述电极浆液的粘度为20000mPa·s。
实施例4：
一种含有机膨胀剂的锌电极，以质量配比计，包括以下原料：
膨胀剂：1％；
氧化铋：5％；
聚四氟乙烯：5％；
增稠剂：3％；
余量为氧化锌及其他不可避免的杂质；
所述含有机膨胀剂的锌电极的制备方法如下：
S1：原料混合：将增稠剂CMC与水以3：100混合制备得到胶水；同时将氧化铋和氧化锌混合后，将PTFE(聚四氟乙烯)以喷雾法将入物料中，边搅拌边喷雾，混合搅拌后得到混合物料；
S2：物料混合：分5次将步骤S1制备得到的所述混合物料加入至所述胶水中，并进行搅拌；
S3：电极生产：加入膨胀剂(木质素和木质素磺酸钾)至步骤S2搅拌后的物料中，并进行搅拌得到电极浆液，将所述电极浆液涂布至电极极片上，烘干即得到含有机膨胀剂的锌电极。
所述步骤S2中，搅拌速度为2500转/min；所述步骤S3中，搅拌速度为2500转/min。
所述步骤S3中，所述电极浆液的粘度为80000mPa·s。
实施例5：
一种含有机膨胀剂的锌电极，以质量配比计，包括以下原料：
膨胀剂：0.5％；
氧化铋：2.5％；
聚四氟乙烯：2.5％；
增稠剂：1.5％；
余量为氧化锌及其他不可避免的杂质；
所述含有机膨胀剂的锌电极的制备方法如下：
S1：原料混合：将增稠剂CMC与水以2：100混合制备得到胶水；同时将氧化铋和氧化锌混合后，将PTFE(聚四氟乙烯)以喷雾法将入物料中，边搅拌边喷雾，混合搅拌后得到混合物料；
S2：物料混合：分5次将步骤S1制备得到的所述混合物料加入至所述胶水中，并进行搅拌；
S3：电极生产：加入膨胀剂(木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钾和木质素磺酸镁)至步骤S2搅拌后的物料中，并进行搅拌得到电极浆液，将所述电极浆液涂布至电极极片上，烘干即得到含有机膨胀剂的锌电极。
所述步骤S2中，搅拌速度为2000转/min；所述步骤S3中，搅拌速度为2000转/min。
所述步骤S3中，所述电极浆液的粘度为40000mPa·s。
空白实施例：
一种锌电极，以质量配比计，包括以下原料：
氧化铋：3％；
聚四氟乙烯：3％；
增稠剂：0.5％；
余量为氧化锌及其他不可避免的杂质；
所述锌电极的制备方法如下：
S1：原料混合：将增稠剂CMC与水以2：100混合制备得到胶水；同时将氧化铋和氧化锌混合后，将PTFE(聚四氟乙烯)以喷雾法将入物料中，边搅拌边喷雾，混合搅拌后得到混合物料；
S2：物料混合：分5次将步骤S1制备得到的所述混合物料加入至所述胶水中，并进行搅拌；
S3：电极生产：将步骤S2搅拌后的物料继续进行搅拌得到电极浆液，将所述电极浆液涂布至电极极片上，烘干即得到含有机膨胀剂的锌电极。
所述步骤S2中，搅拌速度为2000转/min；所述步骤S3中，搅拌速度为2000转/min。
所述步骤S3中，所述电极浆液的粘度为40000mPa·s。
对于实施例1、2以及空白实施例制备得到的锌电极作为负极材料，采用相同的泡沫镍基材的电极作为正极材料进行了循环放电测试，测试的结果如图1所示，实施例1和实施例2的寿命分别为833次、655次，空白样为268次；实施例2的充电电压偏高，失水快，说明本发明中，木质素添加量过高会导致充电困难，而适当的添加量不影响电池的充电，但均大大地优于空白实施例的循环放电寿命，实施例1和实施例2的寿命都明显优于空白例，说明了采用膨胀剂的效果，也进一步地证明了通过本发明所复配的含有机膨胀剂的锌电极充放电次数多，循环寿命长，且解决了目前常规锌电极容易在充电时生成金属层导致锌电极的表面积缩小，同时在放电时表现出较大极化电阻，导致电池的容量降低的问题。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种含有机膨胀剂的锌电极，其特征在于，以质量配比计，包括以下原料：
膨胀剂：0.001％-1％；
氧化铋：0.001％-5％；
聚四氟乙烯：0.5％-5％；
增稠剂：0.1％-3％；
余量为氧化锌及其他不可避免的杂质；
所述的膨胀剂为木质素和木质素磺酸盐中的一种或两种。
2.根据权利要求1所述的含有机膨胀剂的锌电极，其特征在于，以质量配比计，包括以下原料：
膨胀剂：0.1％；
氧化铋：3％；
聚四氟乙烯：3％；
增稠剂：0.5％；
余量为氧化锌及其他不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的含有机膨胀剂的锌电极，其特征在于，所述的木质素磺酸盐为木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钾、木质素磺酸镁中的一种或多种。
4.根据权利要求1或2所述的含有机膨胀剂的锌电极，其特征在于，所述的增稠剂为羧甲基纤维素或羟乙基纤维素。
5.一种用于制备权利要求1-4任一项所述含有机膨胀剂的锌电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：原料混合：将增稠剂与水混合制备得到胶水；同时将氧化铋和氧化锌混合后，加入聚四氟乙烯得到混合物料；
S2：物料混合：分次将步骤S1制备得到的所述混合物料加入至所述胶水中，并进行搅拌；
S3：电极生产：加入膨胀剂至步骤S2搅拌后的物料中，并进行搅拌得到电极浆液，将所述电极浆液涂布至电极极片上，烘干即得到含有机膨胀剂的锌电极。
6.根据权利要求5所述的含有机膨胀剂的锌电极的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述聚四氟乙烯的加入方法为喷雾法，具体包括：将聚四氟乙烯以喷雾法加入至氧化铋和氧化锌的混合料中，在喷雾的过程中同时搅拌混合料。
7.根据权利要求5所述的含有机膨胀剂的锌电极的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述增稠剂与水的质量配比为1:100-3:100。
8.根据权利要求5所述的含有机膨胀剂的锌电极的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述分次的次数为3-5次。
9.根据权利要求5所述的含有机膨胀剂的锌电极的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，搅拌速度为1000-2500转/min；所述步骤S3中，搅拌速度为1000-2500转/min。
10.根据权利要求5所述的含有机膨胀剂的锌电极的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述电极浆液的粘度为20000-80000mPa·s。
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