一种衍生多孔碳作为锌碘电池正极材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及了一种锌碘电池正极材料及其制备方法，制备了一种碘掺杂多孔碳复合材料（ZPC/I2）为活性物质的工作电极，属于锌碘电池技术领域。ZPC/I2复合材料工作电极是以ZPC/I2样品为活性物质，并将活性物质与导电剂、粘合剂在溶剂中研磨混合后，涂覆在集流体上面而得。本发明专利技术制备的正极材料在电流密度100 mA g

【技术实现步骤摘要】
一种衍生多孔碳作为锌碘电池正极材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及了一种锌碘电池正极材料及其制备方法，制备了一种以ZPC/I2复合材料为活性物质的工作电极，属于锌碘电池


技术介绍

[0002]随着传统化石能源的消耗以及科学技术的进步和绿色理念的发展，可再生清洁能源的开发和利用受到了广泛关注，锂离子电池因其高效、环保和经济等诸多优势，在过去的几十年中一直主导着全球能量存储市场。然而，由于锂资源的价格不断上涨,使得当前的锂离子电池价格居高不下，并且在电池中使用的有机电解液往往有毒，存在环境污染的风险。因此，开发具有成本低廉，安全性能好且环境友好的新型二次电池体系是必然趋势。金属
‑
碘电池被认为是一种有潜力的电池体系。
[0003]金属锌是一种高比容量且廉价的电极材料，同时它在水中是稳定的，这使得应用廉价且安全的水性电解质成为可能。这些特点使得锌
‑
碘电池在金属
‑
碘电池体系中脱颖而出。然而，碘的导电性差、热稳定性差以及碘物质（I2、I
‑
和I3‑
）的穿梭效应仍然是其实际应用的障碍。碘物质可以通过隔膜扩散，并通过穿梭效应在锌金属阳极表面生成低导电性的ZnI2，导致活性碘的损失、低库仑效率和正极的循环性能衰减。
[0004]因此，本专利技术提出ZIF
‑
8衍生多孔碳材料作为Zn
‑
I2电池的有效正极基体。ZPC的微孔结构有利于碘物质的物理捕获，而且还可以改善电解质的离子扩散和渗透。ZPC中的N、Zn和ZnO可以提供丰富的活性位点与碘物质产生化学相互作用，以限制穿梭效应并提高电导率，从而获得令人满意的电化学性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种衍生多孔碳作为锌碘电池正极材料及其制备方法，目的在于克服现有锌碘电池正极材料的导电性能和储能性能不佳的缺点。本专利技术提供一种ZIF
‑
8衍生多孔碳材料，多孔碳的导电性良好，比表面积大，有利于对碘物质的物理捕获。同时可以有效的提供电子/离子传导的路径，提高正极材料储电性能。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种ZPC/I2复合材料工作电极，以ZPC/I2复合材料为活性物质，将活性物质与导电剂、粘合剂在溶剂中研磨混合后，涂覆在集流体上面而得。
[0007]所述导电剂为科琴黑。
[0008]所述集流体为不锈钢箔；优选的，所述不锈钢箔的厚度为0.01 mm。
[0009]所述粘合剂为聚偏氟乙烯；优选的，聚偏氟乙烯的密度为1.75
‑
1.78 g/cm3。
[0010]所述溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮。
[0011]本专利技术还提供所述工作电极的制备方法，包括如下步骤：（1）制备ZIF
‑
8晶体：首先将Zn(NO3)2•
6H2O和2
‑
甲基咪唑分别溶于甲醇中，剧烈搅拌15分钟，形成溶液；再将两种溶液混合，在室温下搅拌1小时后静置12小时；将离心得到的
白色晶体用甲醇洗涤数次，然后在60
°
C下干燥12小时；（2）制备ZPC和ZPC
DZ
：将合成的ZIF
‑
8产物，置于N2气氛中，煅烧温度为700~900℃，升温速率为5
°
C/min，煅烧3~6小时后，制备得到ZPC；然后用1M HCl水溶液和去离子水洗涤ZPC粉末以去除Zn和ZnO，得到ZPC
DZ
；（3）制备ZPC/I2复合材料：将纯碘分散在有机溶剂中，再将ZPC加入溶液中，控制碘和ZPC的重量比为1:1~2；接下来，将产物在40
°
C下干燥挥发除去乙醇，然后在Ar气氛中130
°
C下加热；最后在空气中100
°
C下加热3小时除去过量的碘；为了比较，在制备方法一样的情况下，用ZPC
DZ
取代ZPC制备得到ZPC
DZ
/I2；（4）所得的ZPC/I2复合材料与科琴黑、聚偏氟乙烯和N
‑
甲基吡咯烷酮混合研磨得到锌碘电池正极浆料；所得的正极浆料涂在不锈钢箔片上，进行烘干、裁片，最终得到锌碘电池正极材料。
[0012]根据本专利技术，优选地，所述步骤（2）将合成的ZIF
‑
8产物，在N2气氛中700~900
°
C煅烧；进一步优选为900
°
C。
[0013]根据本专利技术，优选地，所述步骤（2）将合成的ZIF
‑
8产物，在N2气氛下煅烧3~6小时；进一步优选为4小时。
[0014]根据本专利技术，优选地，所述步骤（3）复合材料中碘和ZPC的重量比为1:1~2；进一步优选为1:1。
[0015]根据本专利技术，优选地，所述步骤(3)中，有机溶剂为乙醇、甲醇、乙二醇中的一种或几种；进一步优选为乙醇。
[0016]优选地，所述步骤（3）中材料混合的方式为超声波辅助分散、机械搅拌中的一种或两种。
[0017]具体地，超声波辅助分散的时间为10~60 min；优选为10~50 min，进一步优选为30 min。
[0018]机械搅拌的转速为200~300 r/min，优选为250 r/min。搅拌时间为1~4小时，优选为2~3 小时。
[0019]本专利技术还提供所述工作电极用途，用于制造电池。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术所提供的工作电极在电流密度100 mA g
ꢀ‑1下循环100次后容量保持在140
‑
170mAh g
‑1，容量保持率为70
‑
85%。
[0021]本专利技术提供的制备方法过程简单，原料廉价易得，操作方便。
[0022]本专利技术制备得到的锌碘电池正极材料具有优异的导电性能和储电性能。
附图说明
[0023]图1为本专利技术实施例1和对比例制备得到的锌碘电池正极材料的热重曲线；图2为本专利技术实施例1制备得到的锌碘电池正极材料的SEM照片和TEM照片；图3为本专利技术实施例1制备得到的锌碘电池正极材料的对应元素分布图；图4为本专利技术实施例1和对比例制备得到的锌碘电池正极材料的样品溶液；图5为本专利技术实施例1和对比例制备得到的锌碘电池正极材料的Zn 2p光谱比较；图6为本专利技术实施例1和对比例制备得到的锌碘电池正极材料在0.2 mV/s扫描速
度下的循环伏安图；图7为本专利技术实施例1和对比例制备得到的锌碘电池正极材料在100 mA g
‑1电流密度下的充放电曲线；图8为本专利技术实施例1和对比例制备得到的锌碘电池正极材料在100 mA g
‑1条件下的循环性能；图9为本专利技术实施例1和对比例制备得到的锌碘电池正极材料在800 mA g
‑1条件下的长循环性能；图10为本专利技术实施例1和对比例制备得到的锌碘电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种ZPC/I2复合材料工作电极，以ZPC/I2复合材料为活性物质，将活性物质与导电剂、粘合剂在溶剂中研磨混合后，涂覆在集流体上面而得；所述工作电极在电流密度100 mA g
ꢀ‑1下循环100次后容量保持在140
‑
170 mAh g
‑1，容量保持率为70
‑
85%；所述ZPC/I2复合材料，以沸石咪唑酯骨架
‑
8（ZIF
‑
8）为前驱体制得多面体多孔碳（ZPC），ZPC具有丰富的多孔结构，并且ZPC中的N、Zn和ZnO可以提供丰富的活性位点，有利于吸附碘单质；因此在所制备的ZPC/I2复合材料中，碘单质能够均匀的分布在ZPC上。2.ZPC/I2复合材料中，碘单质的质量百分含量为28%；根据ZPC/I2复合材料的SEM和TEM照片，可以观察到保留的规则菱形十二面体结构；所述导电剂为科琴黑；所述集流体为不锈钢箔；所述粘合剂为聚偏氟乙烯；所述溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮；所述ZPC/I2复合材料工作电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）制备ZIF
‑
8晶体：首先将Zn(NO3)2•
6H2O和2
‑
甲基咪唑分别溶于甲醇中，剧烈搅拌15分钟，形成溶液；再将两种溶液混合，在室温下搅拌1小时后静置12小时；将离心得到的白色晶体用甲醇洗涤数次，然后在60
°
C下干燥12小时；（2）制备ZPC和脱锌ZPC(ZPC
DZ
)：将合成的ZIF
‑
8产物，置于N2气氛中，煅烧温度为700~900
°
C，升温速率为5

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雪敏，徐俊伟，葛林恒，刘伟良，乔从德，任慢慢，姚金水，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：