碱性二次电池负极材料[Zn制造技术

本发明专利技术公开了一种碱性二次电池负极材料[Zn

Alkaline two battery negative electrode material [ZnxCuyFe2O4] and battery using the negative electrode

The invention discloses an alkaline two battery negative electrode material [ZnxCuyFe2O4] and a battery using the negative electrode material, which belongs to the technical field of two battery negative electrode materials. Key points of the technical scheme of the invention is: anode material two alkaline batteries, a composite consisting of spinel ferrite or [ZnxCuyFe2O4] spinel structure [ZnxCuyFe2O4] ferrite and carbon materials, including 1, x = 0.5, y = 0.5, 0, x+y=1. The invention also discloses the preparation method of the alkaline two battery negative electrode material and the application in the negative electrode plate of the alkaline two battery. The 0.2C discharge capacity of the alkaline two cell negative electrode material reaches 460mAh/g, and the 5C discharge point capacity reaches 400mAh/g. The alkaline secondary battery prepared by the new negative electrode material has the advantages of high specific energy, high specific power and long cycle life.

【技术实现步骤摘要】
碱性二次电池负极材料[ZnxCuyFe2O4]及使用该负极材料的电池
本专利技术属于碱性二次电池负极材料
，具体涉及一种碱性二次电池负极材料及其制备方法和使用该负极材料的电池。
技术介绍
碱性二次电池(譬如镉镍二次电池、氢镍二次电池、锌镍二次电池、铁镍二次电池)相对于锂离子电池，由于具有安全性好和性价比高等独特优点，仍被人们广泛应用于各种储能装置。由于镉负极存在的环境污染问题，镉镍二次电池在民用市场目前已受到限制应用。由于储氢合金负极活性物质价格较高，氢镍电池的发展受到了极大地限制。锌镍二次电池市场目前处于发展中。但由于锌镍二次电池使用的锌负极存在形变和枝晶等问题，该类型电池的循环寿命较差，亟待提高。铁镍二次电池的发展，近年来广受关注，然而，以四氧化三铁为主要活性物质的铁负极一直存在钝化和析氢的问题，造成其倍率性能差(＜2C)和活性物质利用率效率低(实际克容量仅能达到200-300mAh/g)，严重制约了该类型电池的发展。碱性二次电池通常使用的是成熟的镍正极，负极的相关技术进步显然是制约其发展的一个关键因素。目前，新型负极材料的开发是促进碱性二次电池发展的重要手段，受到了科研工作者的广泛关注。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是提供了一种价格低廉、倍率性能好且循环性能优异的新型碱性二次电池负极材料及其制备方法和使用该负极材料的电池。本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，碱性二次电池负极材料，其特征在于由尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]或尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]与碳材料组成的复合材料构成，其中1＞x≥0.5，0.5≥y＞0，x+y＝1。进一步限定，所述尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]与碳材料组成的复合材料中碳材料为鳞片石墨、碳纳米管、石墨烯、乙炔黑、科琴黑或碳纤维，复合材料中碳材料的质量百分含量为0.1％-20％。本专利技术所述的碱性二次电池负极材料的制备方法，其特征在于尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]负极材料的具体合成步骤为：(1)将可溶性铜盐、可溶性铁盐和可溶性锌盐加入到去离子水中配制成摩尔浓度为0.5-7mol/L的铜铁锌复合盐溶液；(2)将碱性氢氧化物溶于去离子水中配制成摩尔浓度为1-8mol/L的碱性溶液；(3)于15-80℃将碱性溶液加入到铜铁锌复合盐溶液中，持续搅拌直至反应完成后混合液的pH为7-14；(4)将混合液转入水热反应釜中于100-180℃水热反应5-48h，冷却至室温后，经过滤、洗涤、干燥得到褐色粉末；(5)在惰性气体氮气或氩气气氛或空气气氛下，将褐色粉末于300-800℃热处理1-24h，研磨，过筛后得到目标产品尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]负极材料。本专利技术所述的碱性二次电池负极材料的制备方法，其特征在于尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]与碳材料组成的复合负极材料的具体合成步骤为：(1)将可溶性铜盐、可溶性铁盐和可溶性锌盐加入到去离子水中配制成摩尔浓度为0.5-7mol/L的铜铁锌复合盐溶液，再将碳材料均匀分散到铜铁锌复合盐溶液中得到含有碳材料的铜铁锌复合盐溶液；(2)将碱性氢氧化物溶于去离子水中配制成摩尔浓度为1-8mol/L的碱性溶液；(3)于15-80℃将碱性溶液加入到含有碳材料的铜铁锌复合盐溶液中，持续搅拌直至反应完成后混合液的pH为7-14；(4)将混合液转入水热反应釜中于100-180℃水热反应5-48h，冷却至室温后，经过滤、洗涤、干燥得到黑色粉末；(5)在惰性气体氮气或氩气气氛或空气气氛下，将黑色粉末于300-800℃热处理1-24h，研磨，过筛后得到目标产品尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]与碳材料组成的复合负极材料。进一步限定，所述可溶性铜盐为硝酸铜、硫酸铜、醋酸铜或氯化铜，所述可溶性铁盐为硝酸铁、硫酸铁、醋酸铁或氯化铁，所述可溶性锌盐为硝酸锌、硫酸锌、醋酸锌或氯化锌，所述碱性氢氧化物为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂。本专利技术所述的碱性二次电池负极板，其特征在于：所述碱性二次电池负极板是由上述碱性二次电池负极材料制备而成的。进一步限定，所述碱性二次电池负极板包括负极基体和负极基体上或内的活性物质，该活性物质由以下重量百分配比的原料制备而成：尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]负极材料或尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]与碳材料组成的复合负极材料50％-90％、添加剂5％-40％、导电剂1％-20％和粘结剂水溶液0.5％-5％。本专利技术所述的碱性二次电池负极板的制备方法，其特征在于具体步骤为：首先将重量百分配比为50％-90％的尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]负极材料或尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]与碳材料组成的复合负极材料、重量百分配比为5％-40％的添加剂和重量百分配比为1％-20％的导电剂混合均匀，然后加入到重量百分配比为0.5％-5％的粘结剂水溶液中，搅拌均匀制成活性物质浆料，然后将制得的活性物质浆料涂覆在负极基体上，经过烘干，压片，冲切，焊接极耳，制得碱性二次电池负极板。进一步限定，所述添加剂为硫酸镍、硫化镍、硫化亚钴、氧化铋、硫化铋、硫化亚铁、羰基铁粉、四氧化三铁、四硫化三铁、氧化锌、氧化钇、氧化铒、氧化亚锡、二氧化铈、二氧化钛或短纤维中的一种或多种；所述导电剂为导电石墨、科琴黑、导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、氧化亚钛、镍粉、钴粉、铜粉或锡粉中的一种或多种；所述粘结剂为聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚乙烯醇或羟丙基甲基纤维素中的一种或多种；所述负极基体为穿孔钢带、三维立体钢带、不锈钢网、发泡镍、发泡铜、发泡铁或铜网。本专利技术所述的碱性二次电池，包括电池壳体及密封于电池壳体内的极板组和电解液，其中极板组包括正极板、负极板和隔膜，其特征在于：所述负极板采用上述的碱性二次电池负极板。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]及其碳复合材料通过铜金属离子的掺杂作用，极大改善了其充放电循环过程中的结构稳定性和倍率性能，析氢反应得到抑制，改善了材料的容量性能。同时与碳材料的复合可以进一步明显地改善电极的导电性，减小电化学极化，改善电池的倍率性能和循环性能。通过金属铜元素和碳元素的协同作用，可以使得该新材料的0.2C放电克容量达到460mAh/g，5C放电克容量达到400mAh/g。采用该新型负极材料制备的碱性二次电池具有比能量高、倍率性能好和循环寿命长的优点。附图说明图1是实施例和对比例制得的碱性二次电池负极材料的XRD图；图2是实施例制得的[Zn0.60Cu0.3Fe2O4]负极材料的SEM图；图3是实施例制得的[ZnxCuyFe2O4]负极材料的充放电曲线图。具体实施方式以下通过实施例对本专利技术的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本专利技术上述内容实现的技术均属于本专利技术的范围。实施例1[Zn0.90Cu0.1Fe2O4]负极材料的制备：将硫酸锌、氯化铜和硫酸铁按摩尔比为Cu/Zn/Fe＝0.9/0.1/2加入到去离子水中配制成总摩尔浓度为1mol/L的锌铜铁复合盐溶液；将氢氧化钠溶于去离子水中配制成摩尔浓度为3.0mol/本文档来自技高网...

【技术保护点】
碱性二次电池负极材料，其特征在于由尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]或尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]与碳材料组成的复合材料构成，其中1＞x≥0.5，0.5≥y＞0，x+y=1。

【技术特征摘要】
1.碱性二次电池负极材料，其特征在于由尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]或尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]与碳材料组成的复合材料构成，其中1＞x≥0.5，0.5≥y＞0，x+y=1。2.根据权利要求1所述的碱性二次电池负极材料，其特征在于：所述尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]与碳材料组成的复合材料中碳材料为鳞片石墨、碳纳米管、石墨烯、乙炔黑、科琴黑或碳纤维，复合材料中碳材料的质量百分含量为0.1%-20%。3.一种权利要求1所述的碱性二次电池负极材料的制备方法，其特征在于尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]负极材料的具体合成步骤为：（1）将可溶性铜盐、可溶性铁盐和可溶性锌盐加入到去离子水中配制成摩尔浓度为0.5-7mol/L的铜铁锌复合盐溶液；（2）将碱性氢氧化物溶于去离子水中配制成摩尔浓度为1-8mol/L的碱性溶液；（3）于15-80℃将碱性溶液加入到铜铁锌复合盐溶液中，持续搅拌直至反应完成后混合液的pH为7-14；（4）将混合液转入水热反应釜中于100-180℃水热反应5-48h，冷却至室温后，经过滤、洗涤、干燥得到褐色粉末；（5）在惰性气体氮气或氩气气氛或空气气氛下，将褐色粉末于300-800℃热处理1-24h，研磨，过筛后得到目标产品尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]负极材料。4.一种权利要求1所述的碱性二次电池负极材料的制备方法，其特征在于尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4]与碳材料组成的复合负极材料的具体合成步骤为：（1）将可溶性铜盐、可溶性铁盐和可溶性锌盐加入到去离子水中配制成摩尔浓度为0.5-7mol/L的铜铁锌复合盐溶液，再将碳材料均匀分散到铜铁锌复合盐溶液中得到含有碳材料的铜铁锌复合盐溶液；（2）将碱性氢氧化物溶于去离子水中配制成摩尔浓度为1-8mol/L的碱性溶液；（3）于15-80℃将碱性溶液加入到含有碳材料的铜铁锌复合盐溶液中，持续搅拌直至反应完成后混合液的pH为7-14；（4）将混合液转入水热反应釜中于100-180℃水热反应5-48h，冷却至室温后，经过滤、洗涤、干燥得到黑色粉末；（5）在惰性气体氮气或氩气气氛或空气气氛下，将黑色粉末于300-800℃热处理1-24h，研磨，过筛后得到目标产品尖晶石型结构铁酸盐[ZnxCuyFe2O4...

【专利技术属性】
技术研发人员：上官恩波，王芹，李晶，付淑倩，常照荣，李全民，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南,41