CN118213460A - 具有定向导离子通道的锌电池负极材料及制备方法和应用 - Google Patents
具有定向导离子通道的锌电池负极材料及制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118213460A CN118213460A CN202211624295.0A CN202211624295A CN118213460A CN 118213460 A CN118213460 A CN 118213460A CN 202211624295 A CN202211624295 A CN 202211624295A CN 118213460 A CN118213460 A CN 118213460A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- zinc
- substrate
- argon
- plasma
- starting
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000011701 zinc Substances 0.000 title claims abstract description 106
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 105
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 105
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 title claims abstract description 10
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 108
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 88
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 55
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 54
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 54
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 claims abstract description 46
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 44
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 39
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 30
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 29
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 20
- -1 carbon nanotube modified zinc Chemical class 0.000 claims abstract description 19
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000010405 anode material Substances 0.000 claims abstract description 11
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 50
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 41
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 25
- PTFCDOFLOPIGGS-UHFFFAOYSA-N Zinc dication Chemical compound [Zn+2] PTFCDOFLOPIGGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 14
- JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L zinc dichloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Zn+2] JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 8
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- ONDPHDOFVYQSGI-UHFFFAOYSA-N zinc nitrate Chemical compound [Zn+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O ONDPHDOFVYQSGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000011592 zinc chloride Substances 0.000 claims description 4
- 235000005074 zinc chloride Nutrition 0.000 claims description 4
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- UGZADUVQMDAIAO-UHFFFAOYSA-L zinc hydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[Zn+2] UGZADUVQMDAIAO-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- 229940007718 zinc hydroxide Drugs 0.000 claims description 3
- 229910021511 zinc hydroxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 3
- 229960001296 zinc oxide Drugs 0.000 claims description 3
- NWONKYPBYAMBJT-UHFFFAOYSA-L zinc sulfate Chemical compound [Zn+2].[O-]S([O-])(=O)=O NWONKYPBYAMBJT-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- 229960001763 zinc sulfate Drugs 0.000 claims description 3
- 229910000368 zinc sulfate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 36
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 13
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 13
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 12
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 11
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 9
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 5
- NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N manganese dioxide Chemical compound O=[Mn]=O NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000282994 Cervidae Species 0.000 description 1
- 102000004310 Ion Channels Human genes 0.000 description 1
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- WJZHMLNIAZSFDO-UHFFFAOYSA-N manganese zinc Chemical compound [Mn].[Zn] WJZHMLNIAZSFDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- 231100000956 nontoxicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000033116 oxidation-reduction process Effects 0.000 description 1
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
本发明实施例涉及一种具有定向导离子通道的锌电池负极材料及制备方法和应用。制备方法包括：将锌源置于等离子体增强化学气相沉积设备的高温室，将清洗好的基片放入沉积室中的样品台上，开启真空泵抽至气压低于设定阈值，开启分子泵，待真空室内气压达到本底真空度，关闭分子泵，机械泵保持工作，向设备中通入氩气；开启设备的等离子体发生器，在第一工艺参数下电离氩气形成等离子体，使得锌源气化、解离，形成气态锌并通过载气带入到沉积室，使气态锌沉积到基片上；通入碳源气体，通过质量流量控制器调整氩气与碳源气体的比例，在第二工艺参数下进行碳源沉积，得到垂直碳纳米管改性锌负极薄膜材料，即为所需具有定向导离子通道的锌电池负极材料。
Description
技术领域
本发明涉及锌离子电池技术领域，尤其涉及一种具有定向导离子通道的锌电池负极材料及制备方法和应用。
背景技术
由于传统储能技术带来的环境污染和能源危机，人们对高能量密度、低成本的环保型电网储能设备需求不断增加，这促进了各种储能系统的快速发展。锂离子电池因其高效能、高电压、长循环寿命等优点被广泛应用于商业储能装置。但由于成本高、安全问题多，严重阻碍了锂离子电池的大规模应用。作为新兴的、极具发展前景的可替代储能技术，锌离子可充电电池因其丰富的自然资源、内在的安全性和成本效益而倍受关注。
金属锌由于具有成本低廉、导电性好、性质稳定、安全无毒、高析氢过电位和高理论容量(819mAh/g)的优点，广泛用于水系锌基电池负极材料。然而，在长期的溶解-沉积过程中，锌表面形貌发生变化，金属锌在枝晶顶部沉积，枝晶呈现鹿角状，会刺穿电池隔膜而引起电池的短路，从而降低电池的循环寿命。基于现有情况，锌离子电池虽然有着高理论比容量和体积比容量、合适的氧化还原电位、资源丰富、成本较低、工艺成熟等优点，但其枝晶生长、锌负极的腐蚀、析氢、能量密度低等问题仍较为严重，导致水系锌基电池距离量产实用化还有一段距离。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有定向导离子通道的锌电池负极材料及制备方法和应用。该材料在表面沉积生长了一层垂直碳纳米管，碳纳米管整齐均匀排列，其自身结构能形成均匀通道，且均匀排列的碳纳米管之间也能形成均匀通道，从而诱导锌金属沿通道均匀沉积，能够有效抑制枝晶生长，从而有效的避免锌枝晶的产生。
为此，第一方面，本发明实施例提供了一种具有定向导离子通道的锌电池负极材料的制备方法，包括：
将锌源置于等离子体增强化学气相沉积设备的高温室，将清洗好的基片放入沉积室中的样品台上，关好真空室门；
开启真空泵，抽真空至真空室内气压低于设定阈值，开启分子泵继续抽真空，待真空室内气压达到本底真空度，关闭分子泵，机械泵保持工作，向等离子体增强化学气相沉积设备中通入氩气；
开启所述等离子体增强化学气相沉积设备的等离子体发生器，在第一工艺参数下，电离氩气形成等离子体，使得锌源气化、解离，形成气态锌并通过载气带入到沉积室，使所述气态锌沉积到基片上；
通入碳源气体，通过流量控制器调整氩气与碳源气体的流量比例，在第二工艺参数下，通过在基片上施加负偏压，进行碳源沉积，沉积结束后关闭各气体和电源，真空搁置后，得到垂直碳纳米管改性锌负极薄膜材料，即为所需具有定向导离子通道的锌电池负极材料。
优选的，所述基片为单晶硅基片或玻璃基片；
所述锌源为金属锌单质、氧化锌、氢氧化锌、硫酸锌、硝酸锌或氯化锌中的一种或多种。
优选的，所述设定阈值为1.2Pa，本底真空度1×10-3Pa。
优选的，所述第一工艺参数为：离子源功率0.5KW-10KW，氩气流速1L/min-5L/min，时间1-2小时。
优选的，所述氩气与碳源气体的流量比例为1：1-1：3。
优选的，碳源气体包括：甲烷、一氧化碳、乙烯、丙烯、丁烯、正己烷中的一种或多种。
优选的，所述第二工艺参数为：离子源功率为100W-1000W，基片温度为200℃-300℃，基片上施加的负偏压为-1KV～-3KV，时间为20min-40min。
第二方面，本发明实施例提供了一种上述第一方面所述的制备方法制备得到的具有定向导离子通道的锌离子电池负极材料。
第三方面，本发明实施例提供了一种锌离子电池负极，包括上述第二方面所述的锌离子电池负极材料。
第四方面，本发明实施例提供了一种锌离子电池，包括上述第三方面所述的锌离子电池负极。
本发明实施例提供了一种具有定向导离子通道的锌电池负极材料的制备方法，先将纳米锌沉积在基片上，再将碳纳米管在纳米锌表面垂直生长，制备成膜，用于锌离子电池的负极。所得材料在表面沉积生长了一层垂直碳纳米管，碳纳米管整齐均匀排列，其自身结构能形成均匀通道，且均匀排列的碳纳米管之间也能形成均匀通道，从而诱导锌金属沿通道均匀沉积，能够有效抑制枝晶生长，从而有效的避免锌枝晶的产生。
附图说明
图1为本发明实施例提供的具有定向导离子通道的锌电池负极材料的制备方法流程图；
图2为本发明实施例1与对比例的电池比容量随循环圈数变化图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明实施例提供了一种具有定向导离子通道的锌电池负极材料的制备方法，其主要步骤流程如图1所示，
步骤110，将锌源置于等离子体增强化学气相沉积设备的高温室，将清洗好的基片放入沉积室中的样品台上，关好真空室门；
优选的，基片为单晶硅基片或玻璃基片；
锌源为金属锌单质、氧化锌、氢氧化锌、硫酸锌、硝酸锌或氯化锌中的一种或多种。
步骤120，开启真空泵，抽真空至真空室内气压低于设定阈值，开启分子泵继续抽真空，待真空室内气压达到本底真空度，关闭分子泵，机械泵保持工作，向等离子体增强化学气相沉积设备中通入氩气；
在优选的方案中，设定阈值为1.2Pa，本底真空度1×10-3Pa。
步骤130，开启等离子体增强化学气相沉积设备的等离子体发生器，在第一工艺参数下，电离氩气形成等离子体，使得锌源气化、解离，形成气态锌并通过载气带入到沉积室，使所述气态锌沉积到基片上；
优选的，第一工艺参数为：离子源功率0.5KW-10KW，氩气流速1L/min-5L/min，时间1-2小时。
步骤140，通入碳源气体，通过质量流量控制器调整氩气与碳源气体的；流量比例，在第二工艺参数下，通过在基片上施加负偏压，进行碳源沉积，沉积结束后关闭各气体和电源，真空搁置后，得到垂直碳纳米管改性锌负极薄膜材料，即为所需具有定向导离子通道的锌电池负极材料。
优选的，氩气与碳源气体的流量比例为1：1-1：3，进气管道内径相同。碳源气体包括：甲烷、一氧化碳、乙烯、丙烯、丁烯、正己烷中的一种或多种。
第二工艺参数为：离子源功率为100W-1000W，基片温度为200℃-300℃，基片上施加的负偏压为-1KV～-3KV，时间为20min-40min。
本发明上述制备方法制备得到的具有定向导离子通道的锌离子电池负极材料。通过先将纳米锌沉积在基片上，再将碳纳米管在纳米锌表面垂直生长，制备成膜，从而形成表面沉积生长有一层垂直碳纳米管的结构。碳纳米管整齐均匀排列，其自身结构能形成均匀通道，且均匀排列的碳纳米管之间也能形成均匀通道，从而诱导锌金属沿通道均匀沉积，能够有效抑制枝晶生长，从而有效的避免锌枝晶的产生。
为更好的理解本发明的技术方案，下面通过一些具体的实施例，对本发明进行进一步的说明，但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本发明，即并不意于限制本发明的保护范围。
实施例1
将锌单质置于等离子体增强化学气相沉积设备的高温室，用超声波清洗器清洗玻璃基片10分钟，清洗时加入酒精，清洗后用氮气吹干，再将清洗好的玻璃基片放入沉积室中的样品台上，关好真空室门；
先使用真空泵抽真空，待真空室内气压达到1Pa左右，开启分子泵，待真空室内气压达到本底真空度(1×10-3Pa)，关闭分子泵，机械泵仍然工作，开始向等离子体增强化学气相沉积设备通入氩气；
开启等离子体增强化学气相沉积设备的等离子体发生器，离子源功率为0.5KW，氩气流速为1L/min，时间为1小时。使工作气体氩气被电离形成稳定的等离子体，该等离子体将锌源进行气化解离，将所得气态锌通过载气带入到沉积区，使气态锌在基片上沉积至纳米状态；
通入碳源气体甲烷，甲烷流速为1L/min，调整设备参数，离子源功率为100W，产生等离子体，设定基片温度为200℃，打开偏压电源在基片上施加-1KV的负偏压，沉积20min，关闭气体和电源，真空搁置20min，得到垂直碳纳米管改性锌负极薄膜材料。
正极极片制备：将二氧化锰、乙炔黑、聚偏二氟乙烯按照7：2：1的质量比放于玛瑙研钵中，研磨均匀后加入N-甲基吡咯烷酮，研磨至泥浆状。涂布在不锈钢箔集流体上，将涂布的电极在40℃真空烘箱中干燥12小时，得到二氧化锰正极电极。
在常温的空气环境中，按正极壳、正极片、隔膜、改性负极、垫片、弹片、负极盖的顺序进行组装，电解液为2.0mol/L的ZnSO4+0.1mol/L的MnSO4水溶液，最终得到Zn//MnO2锌–锰全电池。对电池进行恒流充放电循环测试，放电截至电压为0.8V，充电截至电压为1.8V，在500mAh/g的电流密度下进行。
为更好的进行对比，我们按照如下方法制备了对比样本。
对比例
在其他条件相同的情况下，直接使用锌片作为负极制作电池，对电池按照如上实施例1的方式进行恒流充放电循环测试。
图2为本发明实施例1与对比例的电池比容量随循环圈数变化图。
实施例2
将氯化锌置于等离子体增强化学气相沉积设备的高温室，用超声波清洗器清洗玻璃基片10分钟，清洗时加入酒精，清洗后用氮气吹干，再将清洗好的玻璃基片放入沉积室中的样品台上，关好真空室门；
先使用真空泵抽真空，待真空室内气压达到1Pa左右，开启分子泵，待真空室内气压达到本底真空度(1×10-3Pa)，关闭分子泵，机械泵仍然工作，开始向等离子体增强化学气相沉积设备通入氩气；
开启等离子体增强化学气相沉积设备的等离子体发生器，离子源功率为0.5KW，氩气流速为1L/min，时间为1小时。使工作气体氩气被电离形成稳定的等离子体，该等离子体将锌源进行气化解离，将所得气态锌通过载气带入到沉积区，使气态锌在基片上沉积至纳米状态；
通入碳源气体甲烷，甲烷流速为1L/min，调整设备参数，离子源功率为100W，产生等离子体，设定基片温度为200℃，打开偏压电源在基片上施加-1KV的负偏压，沉积20min，关闭气体和电源，真空搁置20min，得到垂直碳纳米管改性锌负极薄膜材料。
按照上述实施例1的方法组装电池，通过测试评价其电化学性能，记录在表1中。
实施例3
将锌单质置于等离子体增强化学气相沉积设备的高温室，用超声波清洗器清洗单晶硅基片10分钟，清洗时加入酒精，清洗后用氮气吹干，再将清洗好的单晶硅基片放入沉积室中的样品台上，关好真空室门；
先使用真空泵抽真空，待真空室内气压达到1Pa左右，开启分子泵，待真空室内气压达到本底真空度(1×10-3Pa)，关闭分子泵，机械泵仍然工作，开始向等离子体增强化学气相沉积设备通入氩气；
开启等离子体增强化学气相沉积设备的等离子体发生器，离子源功率为0.5KW，氩气流速为1L/min，时间为1小时，使工作气体氩气被电离形成稳定的等离子体，该等离子体将锌源进行气化解离，将所得气态锌通过载气带入到沉积区，使气态锌在基片上沉积至纳米状态；
通入碳源气体甲烷，甲烷流速为1L/min，调整设备参数，离子源功率为100W，产生等离子体，设定基片温度为200℃，打开偏压电源在基片上施加-1KV的负偏压，沉积20min，关闭气体和电源，真空搁置20min，得到垂直碳纳米管改性锌负极薄膜材料。
按照上述实施例1的方法组装电池，通过测试评价其电化学性能，记录在表1中。
实施例4
将锌单质置于等离子体增强化学气相沉积设备的高温室，用超声波清洗器清洗玻璃基片10分钟，清洗时加入酒精，清洗后用氮气吹干，再将清洗好的玻璃基片放入沉积室中的样品台上，关好真空室门；
先使用真空泵抽真空，待真空室内气压达到1Pa左右，开启分子泵，待真空室内气压达到本底真空度(1×10-3Pa)，关闭分子泵，机械泵仍然工作，开始向等离子体增强化学气相沉积设备通入氩气；
开启等离子体增强化学气相沉积设备的等离子体发生器，离子源功率为10KW，氩气流速为1L/min，时间为1小时。使工作气体氩气被电离形成稳定的等离子体，该等离子体将锌源进行气化解离，将所得气态锌通过载气带入到沉积区，使气态锌在基片上沉积至纳米状态；
通入碳源气体甲烷，甲烷流速为1L/min，调整设备参数，离子源功率为100W，产生等离子体，设定基片温度为200℃，打开偏压电源在基片上施加-1KV的负偏压，沉积20min，关闭气体和电源，真空搁置20min，得到垂直碳纳米管改性锌负极薄膜材料。
按照上述实施例1的方法组装电池，通过测试评价其电化学性能，记录在表1中。
实施例5
将锌单质置于等离子体增强化学气相沉积设备的高温室，用超声波清洗器清洗玻璃基片10分钟，清洗时加入酒精，清洗后用氮气吹干，再将清洗好的玻璃基片放入沉积室中的样品台上，关好真空室门；
先使用真空泵抽真空，待真空室内气压达到1Pa左右，开启分子泵，待真空室内气压达到本底真空度(1×10-3Pa)，关闭分子泵，机械泵仍然工作，开始向等离子体增强化学气相沉积设备通入氩气；
开启等离子体增强化学气相沉积设备的等离子体发生器，离子源功率为0.5KW，氩气流速为5L/min，时间为1小时。使工作气体氩气被电离形成稳定的等离子体，该等离子体将锌源进行气化解离，将所得气态锌通过载气带入到沉积区，使气态锌在基片上沉积至纳米状态；
通入碳源气体甲烷，甲烷流速为1L/min，调整设备参数，离子源功率为100W，产生等离子体，设定基片温度为200℃，打开偏压电源在基片上施加-1KV的负偏压，沉积20min，关闭气体和电源，真空搁置20min，得到垂直碳纳米管改性锌负极薄膜材料。
按照上述实施例1的方法组装电池，通过测试评价其电化学性能，记录在表1中。
实施例6
将锌单质置于等离子体增强化学气相沉积设备的高温室，用超声波清洗器清洗玻璃基片10分钟，清洗时加入酒精，清洗后用氮气吹干，再将清洗好的玻璃基片放入沉积室中的样品台上，关好真空室门；
先使用真空泵抽真空，待真空室内气压达到1Pa左右，开启分子泵，待真空室内气压达到本底真空度(1×10-3Pa)，关闭分子泵，机械泵仍然工作，开始向等离子体增强化学气相沉积设备通入氩气；
开启等离子体增强化学气相沉积设备的等离子体发生器，离子源功率为0.5KW，氩气流速为1L/min，时间为2小时。使工作气体氩气被电离形成稳定的等离子体，该等离子体将锌源进行气化解离，将所得气态锌通过载气带入到沉积区，使所述气态锌在基片上沉积至纳米状态；
通入碳源气体甲烷，甲烷流速为1L/min，调整设备参数，离子源功率为100W，产生等离子体，设定基片温度为200℃，打开偏压电源在基片上施加-1KV的负偏压，沉积20min，关闭气体和电源，真空搁置20min，得到垂直碳纳米管改性锌负极薄膜材料。
按照上述实施例1的方法组装电池，通过测试评价其电化学性能，记录在表1中。
实施例7
将锌单质置于等离子体增强化学气相沉积设备的高温室，用超声波清洗器清洗玻璃基片10分钟，清洗时加入酒精，清洗后用氮气吹干，再将清洗好的玻璃基片放入沉积室中的样品台上，关好真空室门；
先使用真空泵抽真空，待真空室内气压达到1Pa左右，开启分子泵，待真空室内气压达到本底真空度(1×10-3Pa)，关闭分子泵，机械泵仍然工作，开始向等离子体增强化学气相沉积设备通入氩气；
开启等离子体增强化学气相沉积设备的等离子体发生器，离子源功率为0.5KW，氩气流速为1L/min，时间为1小时。使工作气体氩气被电离形成稳定的等离子体，该等离子体将锌源进行气化解离，将所得气态锌通过载气带入到沉积区，使所述气态锌在基片上沉积至纳米状态；
通入碳源气体乙烯，乙烯流速为1L/min，调整设备参数，离子源功率为100W，产生等离子体，设定基片温度为200℃，打开偏压电源在基片上施加-1KV的负偏压，沉积20min，关闭气体和电源，真空搁置20min，得到垂直碳纳米管改性锌负极薄膜材料。
按照上述实施例1的方法组装电池，通过测试评价其电化学性能，记录在表1中。
实施例8
将锌单质置于等离子体增强化学气相沉积设备的高温室，用超声波清洗器清洗玻璃基片10分钟，清洗时加入酒精，清洗后用氮气吹干，再将清洗好的玻璃基片放入沉积室中的样品台上，关好真空室门；
先使用真空泵抽真空，待真空室内气压达到1Pa左右，开启分子泵，待真空室内气压达到本底真空度(1×10-3Pa)，关闭分子泵，机械泵仍然工作，开始向等离子体增强化学气相沉积设备通入氩气；
开启等离子体增强化学气相沉积设备的等离子体发生器，离子源功率为0.5KW，氩气流速为1L/min，时间为1小时。使工作气体氩气被电离形成稳定的等离子体，该等离子体将锌源进行气化解离，将所得气态锌通过载气带入到沉积区，使所述气态锌在基片上沉积至纳米状态；
通入碳源气体甲烷，甲烷流速为3L/min，调整设备参数，离子源功率为100W，产生等离子体，设定基片温度为200℃，打开偏压电源在基片上施加-1KV的负偏压，沉积20min，关闭气体和电源，真空搁置20min，得到垂直碳纳米管改性锌负极薄膜材料。
按照上述实施例1的方法组装电池，通过测试评价其电化学性能，记录在表1中。
实施例9
将锌单质置于等离子体增强化学气相沉积设备的高温室，用超声波清洗器清洗玻璃基片10分钟，清洗时加入酒精，清洗后用氮气吹干，再将清洗好的玻璃基片放入沉积室中的样品台上，关好真空室门；
先使用真空泵抽真空，待真空室内气压达到1Pa左右，开启分子泵，待真空室内气压达到本底真空度(1×10-3Pa)，关闭分子泵，机械泵仍然工作，开始向等离子体增强化学气相沉积设备通入氩气；
开启等离子体增强化学气相沉积设备的等离子体发生器，离子源功率为0.5KW，氩气流速为1L/min，时间为1小时。使工作气体氩气被电离形成稳定的等离子体，该等离子体将锌源进行气化解离，将所得气态锌通过载气带入到沉积区，使所述气态锌在基片上沉积至纳米状态；
通入碳源气体甲烷，甲烷流速为1L/min，调整设备参数，离子源功率为1000W，产生等离子体，设定基片温度为200℃，打开偏压电源在基片上施加-1KV的负偏压，沉积20min，关闭气体和电源，真空搁置20min，得到垂直碳纳米管改性锌负极薄膜材料。
按照上述实施例1的方法组装电池，通过测试评价其电化学性能，记录在表1中。
实施例10
将锌单质置于等离子体增强化学气相沉积设备的高温室，用超声波清洗器清洗玻璃基片10分钟，清洗时加入酒精，清洗后用氮气吹干，再将清洗好的玻璃基片放入沉积室中的样品台上，关好真空室门；
先使用真空泵抽真空，待真空室内气压达到1Pa左右，开启分子泵，待真空室内气压达到本底真空度(1×10-3Pa)，关闭分子泵，机械泵仍然工作，开始向等离子体增强化学气相沉积设备通入氩气；
开启等离子体增强化学气相沉积设备的等离子体发生器，离子源功率为0.5KW，氩气流速为1L/min，时间为1小时。使工作气体氩气被电离形成稳定的等离子体，该等离子体将锌源进行气化解离，将所得气态锌通过载气带入到沉积区，使气态锌在基片上沉积至纳米状态；
通入碳源气体甲烷，甲烷流速为1L/min，调整设备参数，离子源功率为100W，产生等离子体，设定基片温度为300℃，打开偏压电源在基片上施加-1KV的负偏压，沉积20min，关闭气体和电源，真空搁置20min，得到垂直碳纳米管改性锌负极薄膜材料。
按照上述实施例1的方法组装电池，通过测试评价其电化学性能，记录在表1中。
实施例11
将锌单质置于等离子体增强化学气相沉积设备的高温室，用超声波清洗器清洗玻璃基片10分钟，清洗时加入酒精，清洗后用氮气吹干，再将清洗好的玻璃基片放入沉积室中的样品台上，关好真空室门；
先使用真空泵抽真空，待真空室内气压达到1Pa左右，开启分子泵，待真空室内气压达到本底真空度(1×10-3Pa)，关闭分子泵，机械泵仍然工作，开始向等离子体增强化学气相沉积设备通入氩气；
开启等离子体增强化学气相沉积设备的等离子体发生器，离子源功率为0.5KW，氩气流速为1L/min，时间为1小时。使工作气体氩气被电离形成稳定的等离子体，该等离子体将锌源进行气化解离，将所得气态锌通过载气带入到沉积区，使所述气态锌在基片上沉积至纳米状态；
通入碳源气体甲烷，甲烷流速为1L/min，调整设备参数，离子源功率为100W，产生等离子体，设定基片温度为200℃，打开偏压电源在基片上施加-3KV的负偏压，沉积20min，关闭气体和电源，真空搁置20min，得到垂直碳纳米管改性锌负极薄膜材料。
按照上述实施例1的方法组装电池，通过测试评价其电化学性能，记录在表1中。
实施例12
将锌单质置于等离子体增强化学气相沉积设备的高温室，用超声波清洗器清洗玻璃基片10分钟，清洗时加入酒精，清洗后用氮气吹干，再将清洗好的玻璃基片放入沉积室中的样品台上，关好真空室门；
先使用真空泵抽真空，待真空室内气压达到1Pa左右，开启分子泵，待真空室内气压达到本底真空度(1×10-3Pa)，关闭分子泵，机械泵仍然工作，开始向等离子体增强化学气相沉积设备通入氩气；
开启等离子体增强化学气相沉积设备的等离子体发生器，离子源功率为0.5KW，氩气流速为1L/min，时间为1小时。使工作气体氩气被电离形成稳定的等离子体，该等离子体将锌源进行气化解离，将所得气态锌通过载气带入到沉积区，使气态锌在基片上沉积至纳米状态；
通入碳源气体甲烷，甲烷流速为1L/min，调整设备参数，离子源功率为100W，产生等离子体，设定基片温度为200℃，打开偏压电源在基片上施加-1KV的负偏压，沉积40min，关闭气体和电源，真空搁置20min，得到垂直碳纳米管改性锌负极薄膜材料。
按照上述实施例1的方法组装电池，通过测试评价其电化学性能，记录在表1中。
表1
通过对比例和实施例可以看出，使用本发明垂直碳纳米管改性后的锌负极材料所组装的电池，相对于直接使用锌片做负极所组装的电池的首周比容量略低，但明显容量保持率更高，经过300周循环后的比容量较对比例有明显优势。由此可见，通过使用本发明制备的具有定向导离子通道的锌电池负极材料所组装的电池能够维持300周循环的稳定，对于枝晶的产生有着显著的抑制作用，使得电池的电化学性能稳定性显著提高。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有定向导离子通道的锌电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
将锌源置于等离子体增强化学气相沉积设备的高温室，将清洗好的基片放入沉积室中的样品台上，关好真空室门；
开启真空泵，抽真空至真空室内气压低于设定阈值，开启分子泵继续抽真空，待真空室内气压达到本底真空度，关闭分子泵，机械泵保持工作，向等离子体增强化学气相沉积设备中通入氩气；
开启所述等离子体增强化学气相沉积设备的等离子体发生器，在第一工艺参数下，电离氩气形成等离子体，使得锌源气化、解离，形成气态锌并通过载气带入到沉积室，使所述气态锌沉积到基片上；
通入碳源气体，通过流量控制器调整氩气与碳源气体的流量比例，在第二工艺参数下，通过在基片上施加负偏压，进行碳源沉积，沉积结束后关闭各气体和电源，真空搁置后，得到垂直碳纳米管改性锌负极薄膜材料，即为所需具有定向导离子通道的锌电池负极材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基片为单晶硅基片或玻璃基片；
所述锌源为金属锌单质、氧化锌、氢氧化锌、硫酸锌、硝酸锌或氯化锌中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述设定阈值为1.2Pa，本底真空度1×10-3Pa。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一工艺参数为：离子源功率0.5KW-10KW，氩气流速1L/min-5L/min，时间1-2小时。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氩气与碳源气体的流量比例为1：1-1：3。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，碳源气体包括：甲烷、一氧化碳、乙烯、丙烯、丁烯、正己烷中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二工艺参数为：离子源功率为100W-1000W，基片温度为200℃-300℃，基片上施加的负偏压为-1KV～-3KV，时间为20min-40min。
8.一种上述权利要求1-7任一所述的制备方法制备得到的具有定向导离子通道的锌离子电池负极材料。
9.一种锌离子电池负极，其特征在于，所述锌离子电池负极包括上述权利要求8所述的锌离子电池负极材料。
10.一种锌离子电池，其特征在于，所述锌离子电池包括上述权利要求9所述的锌离子电池负极。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211624295.0A CN118213460A (zh) | 2022-12-15 | 2022-12-15 | 具有定向导离子通道的锌电池负极材料及制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211624295.0A CN118213460A (zh) | 2022-12-15 | 2022-12-15 | 具有定向导离子通道的锌电池负极材料及制备方法和应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118213460A true CN118213460A (zh) | 2024-06-18 |
Family
ID=91451281
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211624295.0A Pending CN118213460A (zh) | 2022-12-15 | 2022-12-15 | 具有定向导离子通道的锌电池负极材料及制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118213460A (zh) |
-
2022
- 2022-12-15 CN CN202211624295.0A patent/CN118213460A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111224115B (zh) | 一种锌基电池负极及其制备和应用 | |
| CN109546089B (zh) | 一种硅基薄膜复合极片及其制备方法、锂离子电池 | |
| CN110416529B (zh) | 一种柔性锌负极材料及其制备方法和应用 | |
| CN113871581A (zh) | 一种电子密度调控锰酸锌石墨烯正极材料、化学自充电水系锌离子电池及制备方法与应用 | |
| CN109888233A (zh) | 一种可充放的全柔性钾离子电池、其制备方法及应用 | |
| CN109841915B (zh) | 一种高存储性能的锂离子电池的化成方法 | |
| CN114122352A (zh) | 一种多孔碳掺杂诱导硅沉积的硅碳负极材料及其制备方法 | |
| CN110148729A (zh) | 一种碳包覆氧化亚硅材料的制备方法及应用 | |
| CN110993971B (zh) | 一种NiS2/ZnIn2S4复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN109873151A (zh) | 一种三维多孔硅碳复合负极材料及其制备方法 | |
| CN111477854B (zh) | 一种复合纳米材料及其制备方法和应用 | |
| CN110943205A (zh) | 原子层沉积修饰的钾离子电池石墨负极改性方法及其应用 | |
| CN108550844B (zh) | 一种钠离子电池正极材料普鲁士蓝类化合物的改性方法 | |
| CN110931750A (zh) | 一种铜掺杂氧化钴多孔纳米片复合材料及储能应用 | |
| CN107785559B (zh) | 一种石墨烯-钛酸锂复合材料及其制备方法、补锂石墨烯-钛酸锂薄膜、锂电池 | |
| CN118213460A (zh) | 具有定向导离子通道的锌电池负极材料及制备方法和应用 | |
| CN112723337B (zh) | 等离子体改性氟化碳正极材料及制备方法和用途 | |
| CN114188606B (zh) | 一种电解液及其应用 | |
| CN109301224B (zh) | 一种锂离子电池硅基复合负极材料的制备方法及应用 | |
| CN107863517B (zh) | 一种用于锂电池的硅纳米管复合负极材料及制备方法 | |
| CN115747760B (zh) | 一种复合涂层包覆的硅基材料其制备方法和应用 | |
| CN108987685A (zh) | 一种锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法 | |
| CN114824229B (zh) | 一种二次锌电池负极银掺杂氮化铝涂层的制备方法 | |
| CN116826059B (zh) | 一种应用于海洋环境的锂电池负极材料及其制备方法 | |
| CN116154141B (zh) | 一种类西瓜状结构的硅碳负极材料及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |