用于锌电池的锌/石墨烯三维复合结构负极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于锌电池的锌/石墨烯三维复合结构负极及其制备方法，包括以下步骤：以聚酰亚胺纤维纸或聚酰亚胺膜为碳源，CO

【技术实现步骤摘要】
用于锌电池的锌/石墨烯三维复合结构负极及其制备方法
本专利技术属于材料科学与电化学储能器件领域，具体涉及一种用于锌电池的锌/石墨烯三维复合结构负极及其制备方法。
技术介绍
随着化石能源的不断消耗及环境污染等问题的加剧，迫切需要推动全球高效可再生能源如风能、太阳能、潮汐能等的开发与使用，但是这些能源因具有时效性和地域性等特点，无法实现大规模应用，电能作为清洁能源得到广泛关注。基于各类智能电子产品和电动汽车的不断涌现，对电能储存的需求也日益增长。目前，锂离子电池技术较为成熟，其拥有十分可观的能量和功率密度，但是锂资源有限与使用易燃有机电解液而带来的安全问题严重制约其进一步发展。锌离子作为多价态离子具有高能量密度、成本低且安全性较好的特点，锌电极具有较高的理论容量（820mAhg−1或5855mAhcm−3），因此锌离子电池是替代锂离子电池最有前景的材料之一。与此同时，随着可穿戴电子设备发展的突飞猛进，对电化学储能材料的机械性能提出了新要求，绿色柔性的高性能二次电池将成为能源领域发展的新风向。水系锌离子电池通常采用锌金属作为负极，正极材料以过渡金属化合物为主，如锰系化合物、钒系化合物、普鲁士蓝类似物等。对于负极，锌离子电池循环过程中金属锌易被氧化成为氧化锌，而且在锌表面的反复剥离/沉积过程中也容易长成枝晶。为了解决锌负极在充放电过程中出现的问题，现有技术中主要通过使用高浓度盐电解液避免析氢副反应的发生，以及增加隔膜的厚度，提高隔膜耐刺穿能力等方法。上述方法对于提高水系锌离子电池的循环性能具有一定的效果，但是无法从根本上解决锌负极自身材料特性带来的问题，致使水系锌离子电池的循环稳定性难以进一步提高。此外，考虑到锌箔厚度一般达几十微米以上，而在电池中仅是表层厚度不超过10微米的锌参与储能反应，导致锌阳极的严重利用不足和材料浪费，因此，在实际应用中无法实现锌离子电池的低成本和高能量密度。水系锌电池，例如锌-空气电池和水系可充电锌离子电池皆是以锌作为负极。使用传统的锌片，负极与电解液之间的接触界面有限，不利于器件的倍率、功率等性能。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术提供一种用于锌电池的锌/石墨烯三维复合结构负极，以三维结构的激光诱导石墨烯为载体，表面电沉积上金属锌。该三维结构的锌/石墨烯负极材料可弯曲、质轻且具有高循环稳定性，可提高电池的倍率与功率性能，延长器件的充放电循环寿命。本专利技术的技术方案如下：一种用于锌电池的锌/石墨烯三维复合结构负极的制备方法，包括以下步骤：1）以聚酰亚胺纤维纸或聚酰亚胺膜为碳源，CO2激光为热源，用激光辐照诱导法制备三维石墨烯层，获得激光诱导石墨烯；2）将三维结构的激光诱导石墨烯作为工作电极，锌片作为参比电极和对电极，浸入电解质溶液，在恒电压下电镀，得到锌/石墨烯三维复合结构负极。进一步的，所述电镀过程采用的电解液为弱酸锌盐水溶液，所述电压为-1.0至-0.8V，所述电镀时间为20–60min。一种用于锌电池的锌/石墨烯三维复合结构负极，采用上述用于锌电池的锌/石墨烯三维复合结构负极的制备方法获得。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：（1）激光诱导石墨烯作为集流体具有低成本、质轻、柔性、和加工快速省时的特点，易于大规模制造。同时，以柔性的激光诱导石墨烯作为基底，保证了电极的耐拉伸、可弯曲的机械特性，是作为可穿戴电子设备能源构件的理想材料。（2）利用激光诱导石墨烯自身的多孔三维网络结构，金属锌以微米、纳米级别的晶体负载于激光诱导生长的石墨烯片层基底上，形成多晶结构，避免了较大晶核的生成。此外，获得的锌/石墨烯三维复合结构负极在电池中可以改善因局部电流密度过大而造成的锌枝晶生长问题。（3）锌/石墨烯三维复合结构负极通过增大比表面积来增加反应活性位点，显著提高了电化学性能。在恒电流充放电过程中，同等电流条件下锌/石墨烯三维复合结构负极所剥离表层厚度远低于锌箔电极，负极稳定性更强。（4）锌/石墨烯三维复合结构负极的制备原料丰富且低廉易得，制备方法简单，工艺重复性高，无需在无氧环境下操作，具有可观的高安全性和循环稳定性。附图说明图1为基于聚酰亚胺纤维纸的激光诱导石墨烯的扫描电子显微镜图。图2为基于聚酰亚胺膜的激光诱导石墨烯的扫描电子显微镜图。图3为载于激光诱导石墨烯的电镀锌的扫描电子显微镜图。图4为以锌片为基底的电镀锌的扫描电子显微镜图。图5（a）为用锌片和锌/石墨烯三维复合结构负极与基于V2O5的正极组合后，得到的器件的首圈伏安循环曲线；图5（b）为两个器件循环过程中第1000圈时所对应的恒电流充放电曲线。图6为分别用锌片和锌/石墨烯三维复合结构负极与基于V2O5的正极组合后，得到的器件的循环稳定性测试结果。具体实施方式为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本专利技术的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本专利技术的技术方案。本专利技术提供一种用于锌电池的锌/石墨烯三维复合结构负极的制备方法，包括以下步骤：（1）以聚酰亚胺纤维纸或聚酰亚胺膜为碳源，CO2激光为热源，激光诱导制备三维石墨烯层，获得激光诱导石墨烯，如图1和2所示。（2）将激光诱导石墨烯作为工作电极，锌片作为参比电极和对电极，浸入电解质溶液，利用电化学工作站，在-1.0至-0.8V范围内的恒电压下电镀20–60min，得到锌/石墨烯三维复合结构负极，如图3所示。其中，电镀过程所采用的电解质溶液为弱酸锌盐水溶液。本专利技术的另一种实施方式，提供了一种用于锌电池的锌/石墨烯三维复合结构负极，由上述制备方法获得。实施例1以多孔聚酰亚胺纤维纸为碳源，CO2激光为热源，功率15W,激光束扫速15cm/s,诱导制备1×2cm2的石墨烯区域，获得激光诱导石墨烯。图1为实施例1所制备的激光诱导石墨烯的SEM形貌图。将激光诱导石墨烯作为工作电极，两片锌片分别作为参比电极和对电极，浸入2M硫酸锌水溶液中，利用电化学工作站，在–0.9V恒电压下电镀40min，得到锌/石墨烯三维复合结构负极。图3为实施例1所制备的锌/石墨烯三维复合结构负极的SEM形貌图。实施例2以多孔聚酰亚胺膜为碳源，CO2激光为热源，功率20W,激光束扫速50mm/s,诱导制备2×2cm2的石墨烯区域，获得激光诱导石墨烯。图2为实施例2中所制备的激光诱导石墨烯的SEM形貌图。将激光诱导石墨烯作为工作电极，两片锌片分别作为参比电极和对电极，浸入3M硫酸锌水溶液液中，利用电化学工作站，在–0.8V恒电压下电镀25min，得到锌/石墨烯三维复合结构负极。对比例1将两片锌片分别作为工作电极和对电极，浸入2M硫酸锌水溶液液中，利用电化学工作站，在–0.9V恒电压下电镀40min，在纯锌片上沉积了枝晶状的锌。图4为对比例1中所制备的以锌片为基底的电镀锌的SEM形貌图，同样的电沉积参数在锌片基底上沉积的锌为致密片状枝晶形貌，且三维疏松特本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于锌电池的锌/石墨烯三维复合结构负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1）以聚酰亚胺纤维纸或聚酰亚胺膜为碳源，CO

【技术特征摘要】
1.一种用于锌电池的锌/石墨烯三维复合结构负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）以聚酰亚胺纤维纸或聚酰亚胺膜为碳源，CO2激光为热源，用激光辐照诱导法制备三维石墨烯层，获得激光诱导石墨烯；
2）将三维结构的激光诱导石墨烯作为工作电极，锌片作为参比电极和对电极，浸入电解质溶液，在恒电压下电镀，得到锌...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋卫星，
申请(专利权)人：首都师范大学，
类型：发明
国别省市：北京;11