本发明专利技术属于电极材料领域，特别属于钠电、钾电领域。本发明专利技术公开了一种3D多孔锌负载集流体，包括3D多孔集流体以及复合在3D多孔集流体骨架上的金属锌。本发明专利技术还包括所述的3D多孔锌负载集流体的制备以及应用，此外，本发明专利技术还提供了由所述的3D多孔锌负载集流体制得的钠负极或者钾负极。所述提出在3D多孔锌负载集流体，创新地在3D多孔集流体的孔隙骨架上复合金属锌；该结构的集流体可以有效维持钠或钾金属沉积过程中的骨架稳定；同时，均匀分布在孔隙骨架上的所述的金属锌可以诱导金属钠或钾成核，使钠或钾沉积过程中充分利用3D集流体有效比表面积，实现无枝晶的钠或钾沉积和长的循环寿命。
A 3D porous zinc loaded collector, sodium or potassium friendly anode and its preparation and Application
【技术实现步骤摘要】
一种3D多孔锌负载集流体、亲钠或钾的电池负极及其制备和应用
本专利技术属于储能器件领域，具体涉及一种亲钠和亲钾3D集流体以及由其制得的负极。
技术介绍
锂离子电池作为储能器件，凭借高的能量密度，长的循环寿命已经在各种数码电子产品中得到广泛的应用。近年来，锂离子电池已经逐步在电动汽车和智能电网等领域得到应用。但是受限于有限的锂资源(地壳中的丰度：0.002％)，因而锂离子电池及其相关产品的价格居高不下。因此，开发低成本的储能器件迫在眉睫。在这一背景下，钠和钾凭借着其高的丰度(钠的丰度：2.83％和钾的丰度2.59％)，分别为锂资源丰度的1415倍和1295倍，得到了广泛的关注。在钠离子电池和钾离子电池中，金属钠和金属钾作为最有前途的负极得到了广泛的研究。但是钠枝晶和钾枝晶的生长以及巨大的体积膨胀和收缩限制了金属钠和金属钾直接作为负极材料使用。为了应对这一问题，目前通用的方法是将金属钠和金属钾负载在多孔骨架中，以防止枝晶的生长和缓解体积变化。但是目前商业化的3D集流体对金属钠和金属钾的润湿性差，因而导致金属钠和钾在沉积的过程中产生大的极化以及不均匀的钠/钾沉积，最终使这种金属电池的循环寿命大大缩减。为了解决这一问题，LiangbingHu[1]将碳材料在1000℃进行碳化已获得良好的亲钠性能。而JunChen[2]等人采用对氧化石墨烯溶液进行低压(19Pa)的超低温(-47℃)处理已获得良好亲钠性的氧化石墨烯，随后通过高温熔融的方法将液体钠灌入氧化石墨烯中。这些制备亲钠材料的方法极为复杂，且对设备成本极高，难以产生实际化的应用。而对于亲钾材料的制备与应用，目前文献还鲜有报道。[1]W.Luo，Y.Zhang，S.Xu，J.Dai，E.Hitz，Y.Li，C.Yang，C.Chen，B.Liu，L.Hu，EncapsulationofmetallicNainanelectricallyconductivehostwithporouschannelsasahighlystableNametalanode，NanoLetters17(2017)3792-3797.[2]X.Hu，Z.Li，Y.Zhao，J.Sun，Q.Zhao，J.Wang，Z.Tao，J.Chen，Quasi-solidstaterechargeableNa-CO2batterieswithreducedgrapheneoxideNaanodes，ScienceAdvances3(2017)e1602396-e1602402.
技术实现思路
针对3D多孔集流体普遍存在的对金属钠和金属钾的润湿性差、钠/钾沉积不均匀、电池的循环性能较差的技术不足，本专利技术第一目的在于提供一种亲钠或者钾的3D多孔锌负载集流体(本专利技术也称为复合锌多孔集流体，或者简称为亲钠或钾集流体)。本专利技术第二目的在于，提供了一种所述的3D多孔锌负载集流体的制备方法。本专利技术第三目的在于，提供了一种所述的3D多孔锌负载集流体在制备钠离子电池负极或者钾离子电池负极中的应用。本专利技术第四目的在于，提供一种由所述的3D多孔锌负载集流体制得的3D多孔亲钠或钾的电池负极(本专利技术也简称为负极)，使钠/钾均匀沉积，大大提升金属电池的循环寿命。本专利技术第五目的在于，提供一种所述的3D多孔亲钠或钾的电池负极的制备方法。本专利技术第六目的在于，提供一种所述的3D多孔亲钠或钾的电池负极在钠离子电池或钾离子电池中的应用。一种3D多孔锌负载集流体，包括3D多孔集流体以及复合在3D多孔集流体骨架上的金属锌。所述提出在3D多孔锌负载集流体，创新地在3D多孔集流体的孔隙骨架上复合金属锌；该结构的集流体可以有效维持钠或钾金属沉积过程中的骨架稳定；同时，均匀分布在孔隙骨架上的所述的金属锌可以诱导金属钠或钾成核，使钠或钾沉积过程中充分利用3D集流体有效比表面积，实现无枝晶的钠或钾沉积和长的循环寿命。作为优选，3D多孔集流体为3D多孔金属集流体或多孔碳集流体。进一步优选，3D多孔碳集流体的材料为碳纸，碳布，石墨烯纸，碳纳米管纸中的至少一种；优选为碳纳米管纸。进一步优选，3D多孔金属集流体的材料为钛、铜、镍、铁、钴、锰中的至少一种。所述的3D多孔金属集流体为多孔钛，多孔铜，多孔镍，多孔铁，多孔钴，多孔锰等多孔单金属集流体及其他们的二元和三元合金集流体中的任意一种。所述的3D多孔二元合金集流体为多孔镍铜，多孔镍钛，多孔镍铁，多孔镍钴，多孔镍锰，多孔铁钛，多孔铁铜，多孔铁钴，多孔铁锰，多孔钴钛，多孔钴铜，多孔钴锰合金中的任意一种。所述的3D多孔二元合金的成分配比是任意的。所述的3D多孔三元合金集流体为多孔镍铜钛，多孔镍铜铁，多孔镍铜钴，多孔镍铜锰，多孔铁钴镍合金中的任意一种。所述的3D多孔三元合金的成分配比是任意的。所述的3D多孔集流体的厚度为5～800μm。作为优选，所述的3D多孔集流体的厚度为10～300μm；进一步优选为30～60μm。所述的3D多孔集流体的孔隙率为10～90％。作为优选，所述的3D多孔集流体的孔隙率为30～70％；进一步优选为60～70％。所述的3D多孔集流体的孔间距为0.2～400μm。作为优选，所述的3D多孔集流体的孔间距为0.4～300μm；进一步优选为0.5～120μm。作为优选，复合在骨架上的金属锌呈颗粒状。作为优选，复合在骨架上的金属锌的颗粒度为10～200nm。研究发现，控制在该优选颗粒度范围下的材料可出人意料地表现出优异的电学性能，相较于颗粒度未控制在该范围下的材料具有更优的库伦效率和循环性能。进一步优选，复合在骨架上的金属锌的颗粒度为20～100nm。在该优选颗粒度下的3D多孔锌负载集流体的电学性能进一步提升。作为优选，复合在骨架上的金属锌占所述的3D多孔锌负载集流体重量的0.01～1Wt％。在制备用于电池领域的3D多孔锌负载集流体时，需要对负载的Zn沉积均匀性、沉积颗粒度等进行重点控制，使其符合并提升在电学方面的性能。为提供一种可以满足电学方面使用需要的3D多孔锌负载集流体，本专利技术提供了一种3D多孔锌负载集流体的制备方法，将3D多孔集流体为工作电极，以锌为对电极，在镀锌液中进行电镀，在3D多孔集流体的骨架上沉积金属锌，制得3D多孔锌负载集流体；所述的镀锌液为包含锌盐、质子酸和表面活性剂的水溶液；其中，锌盐的含量为5～50g/L；优选为15～45g/L；所述的质子酸的含量为5～80g/L；优选为25～60g/L；所述的表面活性剂的含量为表面活性剂0.02～0.4g/L；优选为0.05～0.3g/L。研究发现，通过所述的镀锌液的成分以及成分含量的控制，可以控制3D集流体上的复合均匀性，不仅如此，还能控制沉积的锌的粒度，制得符合电学使用需求，且可以表现出优异性能的3D多孔锌负载集流体。本专利技术所述的镀锌液，控制所述的锌盐浓度，一方面可以降低成本，另一方面通过增本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种3D多孔锌负载集流体，其特征在于：包括3D多孔集流体以及复合在3D多孔集流体骨架上的金属锌。/n
【技术特征摘要】
1.一种3D多孔锌负载集流体，其特征在于：包括3D多孔集流体以及复合在3D多孔集流体骨架上的金属锌。
2.如权利要求1所述的3D多孔锌负载集流体，其特征在于：3D多孔集流体为3D多孔金属集流体或多孔碳集流体；
其中，所述的3D多孔金属集流体的材料为钛、铜、镍、铁、钴、锰中的至少一种；优选为多孔镍；
所述的3D多孔碳集流体的材料为碳纸，碳布，石墨烯纸，碳纳米管纸中的至少一种；优选为碳纳米管纸；
优选地，所述的3D多孔集流体的厚度为5～800μm；进一步优选为10～300μm；
优选地，所述的3D多孔集流体的孔隙率为10～90％；进一步优选为30～70％；
优选地，所述的3D多孔集流体的孔间距为0.2～400μm；进一步优选为0.4～300μm。
3.如权利要求1或2所述的3D多孔锌负载集流体，其特征在于：复合在骨架上的金属锌呈颗粒状；优选的颗粒度为10～200nm；进一步优选为20～100nm。
4.一种3D多孔锌负载集流体或权利要求1～3任一项所述的3D多孔锌负载集流体的制备方法，其特征在于：将3D多孔集流体为工作电极，以锌为对电极，在镀锌液中进行电镀，在3D多孔集流体的骨架上沉积金属锌，制得3D多孔锌负载集流体；
所述的镀锌液为包含锌盐、质子酸和表面活性剂的水溶液；其中，锌盐的含量为5～50g/L；优选为15～45g/L；
所述的质子酸的含量为5～80g/L；优选为25～60g/L；
所述的表面活性剂的含量为表面活性剂0.02～0.4g/L；优选为0.05～0.3g/L；
优选地，所述的锌盐为硫酸锌，氯化锌，乙酸锌，硝酸锌，氧化锌中的至少一种；
优选地，所述的质子酸为盐酸，硫酸，硝酸，乙酸中的至少一种；
优选地，所述的表面活性剂为阴离子表面活性剂或阳离子表面活性剂；
优选地，所述的阴离子表面活性剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基磷酸酯、聚丙烯酸、OP-10，OT-75中的至少一种；
优选地，所述的阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵、全氟烷基铵盐中的至少一种；
优选地，电镀过程的电流密度为1～15mA/cm2；
优选地...
【专利技术属性】
技术研发人员：洪波，赖延清，范海林，高春晖，董庆元，张治安，张凯，方静，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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