一种共掺杂的纳米多孔锌基合金一体式负极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种共掺杂的纳米多孔锌基合金一体式负极的制备方法，包括以下步骤：(1)合金制备：采用熔融铸造法制备多元锌基合金锭，所述多元锌基合金中，掺杂元素为Cu、Ni或Al其中的一种或多种；(2)将步骤(1)制备得到的合金锭加工制备成50μm

【技术实现步骤摘要】
一种共掺杂的纳米多孔锌基合金一体式负极及其制备方法


[0001]本专利技术属于镍
‑
锌电池
，尤其涉及一种共掺杂的纳米多孔锌基合金一体式负极，以及上述负极的制备方法。

技术介绍

[0002]随着经济规模的发展，化石能源资源匮乏，这使得人们对于能源的需求不断增长。近年来，锂离子电池为代表的电化学储能器件虽得到了广泛研究，但锂资源储量较低，且价格高昂，这阻碍了锂离子电池的应用。
[0003]锌镍电池以氧化锌为负极材料，氢氧化镍为正极材料，以氢氧化钾水溶液为电解液构成的碱性二次电池。锌镍电池不仅在家用电器、电动玩具、电动门窗等小型负载方面得到应用，在安全性要求高的电动自行车、电动汽车、高铁电源、储能基站备用电源等领域也具有很好的商业前景。
[0004]金属锌(Zn)虽然具有高的理论比容量、低的氧化还原电势、原料丰富和天然的安全性等特点而成为镍
‑
锌电池最理想的负极材料之一；然而，金属Zn在水中很容易发生腐蚀和产氢等反应，因此会降低库伦效率，消耗水和金属Zn，促进锌枝晶的生长以至于降低对应器件的性能，甚至不能正常运行。现有的改进方法主要为：表面引入金属、金属氧化物等保护层来抑制产氢或锌枝晶的生长。但是，这些方法不仅增加了整个锌片的质量，而且合成步骤繁琐，所需条件苛刻，不能大规模生产。
[0005]为了解决现有技术中存在的以上问题，我们提出一种共掺杂的纳米多孔锌基合金一体式负极及其制备方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于为解决上述目前存在的锌负极枝晶生长严重的问题，提供一种共掺杂的纳米多孔锌基合金一体式负极的制备方法，该制备方法引入纳米多孔金属，同时对其进入元素掺杂，成功制备出共掺杂的纳米多孔锌基合金一体式负极，锌原位负载在纳米多孔金属基体上，故而两者能够紧密生长在一起，很难脱落。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种共掺杂的纳米多孔锌基合金一体式负极的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)合金制备：采用熔融铸造法制备多元锌基合金，所述多元锌基合金中，Zn的原子比例是60
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90％，掺杂元素为Cu、Ni或Al其中的一种或多种，掺杂元素的原子比例是0
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40％；
[0009](2)将步骤(1)制备得到的合金锭加工制备成50μm
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2mm厚的合金条带或薄片；
[0010](3)将步骤(2)制备得到的合金薄片采用化学脱合金化的方法制备出孔径在50
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300nm的纳米多孔锌基合金一体式负极；
[0011](4)将步骤(3)制备得到的纳米多孔锌基合金一体式负极进行热处理，热处理的工艺是：在氩气和氢气的混合气氛下，控制氢气在混合气体中的比例为5
‑
15％，升温速率为2
‑
10℃/min,热处理温度为150
‑
500℃，热处理的时间为5
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30min，热处理之后得到共掺杂的纳米多孔锌基合金一体式负极。
[0012]优选的，所述步骤(1)中的合金锭的制备方法为利用电磁感应熔炼、浇铸和均匀后退火工艺得到均相的多元锌基合金锭，退火温度控制在500
‑
900℃，退火时间为0.5
‑
3h。
[0013]优选的，所述步骤(2)中制备加工的方法为利用熔炼甩带或线切割仪器，有效控制合金的尺寸，得到50μm
‑
2mm厚的合金条带或薄片。
[0014]优选的，所述步骤(3)中化学脱合金化法具体步骤是：以0.05
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10mol/L盐酸为腐蚀液，在温度为20
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80℃的条件下对所述合金薄片行脱合金处理，处理时间为2
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72小时，之后清洗干燥。
[0015]优选的，所述步骤(3)中制得的纳米多孔锌基合金一体式负极的形貌为孔径分布为50
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300nm的纳米多孔结构。
[0016]本专利技术的另一个目的是提供一种采用上述制备方法制得的共掺杂的纳米多孔锌基合金一体式负极。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、纳米多孔金属作为导电基体，利于电子、离子的传输；2、纳米多孔金属作为生长基体，通过原位负载锌，可抑制锌负极枝晶生长的问题；3、形成纳米多孔锌基合金负极，提供高的比表面积还可控锌的负载量，从而提高镍
‑
锌电池的稳定性；4、所选用的金属元素资源丰富，且采用脱合金化制备电极方法简单，成本更低；5、一体式锌基负极无需粘结剂，且尺寸可控，可满足商业需求。
附图说明
[0018]图1为本专利技术实施例1中获得的共掺杂的纳米多孔铜锌一体式负极的SEM图；
[0019]图2为本专利技术实施例1中获得的共掺杂的纳米多孔铜锌一体式负极的EDAX图；
[0020]图3为本专利技术实施例1中获得的共掺杂的纳米多孔铜锌一体式负极的XRD图；
[0021]图4为本专利技术实施例1中获得的共掺杂的纳米多孔铜锌一体式负极的恒电流锌沉积/剥离测试表征；
[0022]图5为本专利技术实施例1获得的共掺杂的纳米多孔铜锌一体式负极沉积/剥离测试后的SEM图；
[0023]图6为本专利技术实施例1获得的共掺杂的纳米多孔铜锌一体式负极与之对比的市售锌片的沉积/剥离测试后的SEM图。
具体实施方式
[0024]除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本专利技术所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
[0025]在本专利技术中，各种金属、合金及各种溶剂、溶液都是购自普通化工厂家。电化学处理可以使用各种型号、品牌的电化学工作站，电化学工作站本身的选择对于本专利技术没有实质影响。电池测试使用本领域公知的电池测试仪进行。
[0026]本专利技术所述的共掺杂的纳米多孔锌基合金一体式负极的制备方法，包括以下步骤：
[0027](1)合金制备：采用熔融铸造法制备多元锌基合金，所述多元锌基合金中，Zn的原子比例是60
‑
90％，掺杂元素为Cu、Ni或Al其中的一种或多种，掺杂元素的原子比例是0
‑
40％；其中所述合金锭的制备方法为利用电磁感应熔炼、浇铸和均匀后退火工艺得到均相的多元锌基合金锭，退火温度控制在500
‑
900℃，退火时间为0.5
‑
3h。
[0028](2)将步骤(1)制备得到的合金锭制备加工成50μm
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2mm厚的合金条带或薄片；其中所述制备加工的方法为利用熔炼甩带或线切割仪器，可有效控制其合金的尺寸，得到50μm
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2mm厚的合金条带或薄片。
[0029](3)将步骤(2)制备得到的合金条带或薄片采用化学脱合金化的方法制备出孔径在50
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300nm左本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种共掺杂的纳米多孔锌基合金一体式负极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)合金制备：采用熔融铸造法制备多元锌基合金，所述多元锌基合金中，Zn的原子比例是60
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90％，掺杂元素为Cu、Ni或Al其中的一种或多种，掺杂元素的原子比例是0
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40％；(2)将步骤(1)制备得到的合金锭加工制备成50μm
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2mm厚的合金条带或薄片；(3)将步骤(2)制备得到的合金薄片采用化学脱合金化的方法制备出孔径在50
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300nm的纳米多孔锌基合金一体式负极；(4)将步骤(3)制备得到的纳米多孔锌基合金一体式负极进行热处理，热处理的工艺是：在氩气和氢气的混合气氛下，控制氢气在混合气体中的比例为5
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15％，升温速率为2
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10℃/min,热处理温度为150
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500℃，热处理的时间为5
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30min，热处理之后得到共掺杂的纳米多孔锌基合金一体式负极。2.根据权利要求1所述的共掺杂的纳米多孔锌基合金一体式负极的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的合金锭的制备方法为...

【专利技术属性】
技术研发人员：康建立，闫琳，宗皊硕，赵乃勤，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：