一种锌离子电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种锌离子电池及其制备方法，其中，锌离子电池包括注有电解液的壳体，依次间隔设置在壳体内的阳极、隔膜以及阴极，壳体上设置有带有浇注口的上盖，阳极上端焊接有负极端子，阴极上端焊接有正极端子，上盖的浇注口处设置有密封盖；阳极由锌和不锈钢箔以及沉积在所述锌和不锈钢箔一面上的复合材料涂层组成，所述复合材料涂层包括PC/SiOC复合材料，PC/SiOC复合材料由多孔碳和互穿在所述多孔碳上的硅氧碳网络组成。本发明专利技术复合材料涂层提升了锌离子在阳极表面的传输速度，并且该复合材料涂层还具有电导率高和电化学活性高的特点，这使得锌离子电池的容量和倍率性能得到提高，且锌离子传输速度快以及扩散面积大能有效抑制枝晶增长，极大提升了电池循环寿命。极大提升了电池循环寿命。极大提升了电池循环寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种锌离子电池及其制备方法


[0001]本专利技术涉及锌离子电池
，特别涉及一种锌离子电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]在传统能源资源紧张且造成环境污染、消费级电子产品需求日益增长、电动汽车稳步发展以及可再生能源并网的背景下，人们对高能量密度、可循环使用、低成本、高可靠性的环保型储能设备需求不断增加。在各种储能设备中，锂离子电池由于其高能量密度和长循环寿命，在商用二次电池市场上占据主导地位。然而，锂离子电池存在有机电解液易燃、电极枝晶生长造成短路爆炸风险、制造装配要求严苛、锂资源稀缺等固有问题，严重影响了其大规模应用。作为新兴的、极具发展前景的可替代储能技术，可充电的水质锌离子电池因其金属锌具有较高的理论容量(820mAh/g)、较低的氧化还原电势(
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0.76Vvs.SHE)、丰富的储量、制造装配简单、低成本以及安全环保等优势在便携式电子应用和大规模储能系统展示出巨大潜力，拥有广阔的应用前景。
[0003]但是锌离子电池在实际应用方面面临着巨大挑战，特别地，金属锌阳极在循环沉积/剥离过程中存在的枝晶生长是限制锌离子电池应用的最大问题：枝晶生长在循环过程中会不断消耗水分，产生不可逆的副产物，导致锌离子电池的库仑效率低、容量低、循环寿命有限；同时，随着枝晶的生长，阳极的表面积增大造成阳极的腐蚀和其他表面相关反应增加，最终导致阳极不断消耗，电池性能下降速度加快；更严重地，过长的枝晶会穿透隔膜造成电池短路失效。为了解决阳极枝晶生长的问题以提高锌离子电池的循环寿命和倍率性能，人们开发出多种考虑抑制枝晶增长的锌离子电池阳极制备方法，例如：Liu等人开发了利用浇铸法将氧化石墨烯纳米片涂覆在锌金属阳极上的方法抑制枝晶生长；专利技术申请CN114094035A公开了一种锌离子电池阳极铝锌合金涂层的制备方法，该方法利用磁控共溅射技术在阳极制备铝锌合金涂层用于阳极的保护；专利技术申请CN112952052A提供了一种锌 /碳纳米管泡沫复合材料作为锌离子电池的阳极材料并在专利技术申请 CN112952053A中公开了利用该复合材料通过高温反应和电沉积法制备阳极的方法。
[0004]然而，上述现有的锌离子电池技术存在着以下缺点：锌离子在阳极表面的传输速度缓慢，且电导率和电化学活性不高，限制了电池的容量和倍率性能；锌离子扩散面积有限无法完全抑制枝晶增长、仍存在产生枝晶导致短路的风险限制了循环寿命；制备工艺复杂成本高。
[0005]因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

[0006]鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种锌离子电池及其制备方法，旨在解决现有的锌离子电池阳极表面易生长枝晶，导致电池容量和倍率性能较差以及循环寿面较短的问题。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种锌离子电池，其中，包括注有电解液的壳体，依次间隔设置在壳体内的阳极、隔膜以及阴极，所述壳体上设置有带有浇注口的上盖，所述阳极上端焊接有负极端子，所述阴极上端焊接有正极端子，所述上盖的浇注口处设置有密封盖；所述阳极由锌和不锈钢箔以及沉积在所述锌和不锈钢箔一面上的复合材料涂层组成，所述复合材料涂层为由若干条横杆和若干条竖杆均匀交错排布组成的中间镂空的网格体涂层，所述复合材料涂层采用低温直写3D打印技术打印墨水而成，所述墨水包括N
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甲基吡咯烷酮以及溶解在所述N
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甲基吡咯烷酮中的PC/SiOC复合材料、聚偏二氟乙烯以及导电炭黑，所述PC/SiOC复合材料由多孔碳和互穿在所述多孔碳上的硅氧碳网络组成。
[0009]所述的锌离子电池，其中，所述电解液为ZnSO4去离子水溶液。
[0010]所述的锌离子电池，其中，所述隔膜为聚丙烯隔板，所述阴极为V2O5/C 平板。
[0011]所述的锌离子电池，其中，所述正极端子和负极端子的材料均为铜基镀银合金。
[0012]所述的锌离子电池，其中，所述中间镂空为正方形镂空，所述正方形镂空的边长等于所述横杆和竖杆的线宽，所述横杆和竖杆的尺寸相同，线宽均为400
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420μm。
[0013]所述的锌离子电池，其中，所述锌和不锈钢箔的厚度为0.1mm，复合材料涂层的厚度为500
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550μm。
[0014]一种锌离子电池的制备方法，其中，包括步骤：
[0015]将PC/SiOC复合材料、聚偏二氟乙烯以及导电炭黑进行球磨处理后溶解在N
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甲基吡咯烷酮中，获得油墨组合物，所述PC/SiOC复合材料由多孔碳和互穿在所述多孔碳上的硅氧碳网络组成；
[0016]通过真空过滤去除所述油墨组合物中的结块和大颗粒，室温下静置预定时间，制得墨水；
[0017]利用低温直写3D打印技术将所述墨水打印在锌和不锈钢箔的一面，经过真空干燥处理后，制得阳极；
[0018]将所述阳极、隔膜以及阴极依次安装在壳体内，并将带有浇注口的上盖安装在所述壳体上；
[0019]在阴极上端焊接正极端子，在阳极上端焊接负极端子，从所述上盖的浇注口注入电解液至注满；
[0020]在所述上盖的浇注口处安装密封盖，制得所述锌离子电池。
[0021]所述锌离子电池的制备方法，其中，利用低温直写3D打印技术将所述墨水打印在锌和不锈钢箔的一面，经过真空干燥处理后，制得锌离子电池无枝晶阳极的步骤包括：
[0022]将所述墨水装入连接有可闭锁不锈钢钝头喷嘴的注射器针管中，将注射器针管中的墨水通过可闭锁不锈钢钝头喷嘴挤出墨水打印在锌和不锈钢箔的一面上，获得复合材料涂层未固化状态下的阳极；
[0023]将所述复合材料涂层未固化状态下的阳极放入真空烘箱中，将真空烘箱的温度设置为80℃，保持12小时，制得锌离子电池无枝晶阳极。
[0024]所述锌离子电池的制备方法，其中，所述PC/SiOC复合材料的制备包括步骤：
[0025]制备等网状共价功能化锆基MOF晶体，即UiO
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NH2晶体；
[0026]将十六烷基三甲基溴化铵在超声波浴中溶解于PDSDA甲醇溶液中，获得PDSDA/CTAB混合溶液；在磁力搅拌下将所述UiO
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NH2晶体溶解到甲醇中，获得UiO
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NH2溶液；
[0027]将PDSDA/CTAB混合溶液在氩气环境加入到所述UiO
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NH2溶液中，在室温下进行搅拌处理，然后完成MOFs内聚合反应后进行氩气脱气、样品收集、乙醇洗涤及真空干燥处理，制得UiO
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66/PDSDA合成物；
[0028]将所述UiO
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66/PDSDA合成物放入管式炉中，在氩气环境中进行三个阶段的热解过程：在第一阶段，以2℃/min的升温速率将温度从25℃升到 400℃，然后将温度保持在400℃两小时；在第二阶段本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锌离子电池，其特征在于，包括注有电解液的壳体，依次间隔设置在壳体内的阳极、隔膜以及阴极，所述壳体上设置有带有浇注口的上盖，所述阳极上端焊接有负极端子，所述阴极上端焊接有正极端子，所述上盖的浇注口处设置有密封盖；所述阳极由锌和不锈钢箔以及沉积在所述锌和不锈钢箔一面上的复合材料涂层组成，所述复合材料涂层为由若干条横杆和若干条竖杆均匀交错排布组成的中间镂空的网格体涂层，所述复合材料涂层采用低温直写3D打印技术打印墨水而成，所述墨水包括N
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甲基吡咯烷酮以及溶解在所述N
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甲基吡咯烷酮中的PC/SiOC复合材料、聚偏二氟乙烯以及导电炭黑，所述PC/SiOC复合材料由多孔碳和互穿在所述多孔碳上的硅氧碳网络组成。2.根据权利要求1所述的锌离子电池，其特征在于，所述电解液为ZnSO4去离子水溶液。3.根据权利要求1所述的锌离子电池，其特征在于，所述隔膜为聚丙烯隔板，所述阴极为V2O5/C平板。4.根据权利要求1所述的锌离子电池，其特征在于，所述正极端子和负极端子的材料均为铜基镀银合金。5.根据权利要求1所述的锌离子电池，其特征在于，所述中间镂空为正方形镂空，所述正方形镂空的边长等于所述横杆和竖杆的线宽，所述横杆和竖杆的尺寸相同，线宽均为400
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420μm。6.根据权利要求1所述的锌离子电池，其特征在于，所述锌和不锈钢箔的厚度为0.1mm，复合材料涂层的厚度为500
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550μm。7.一种如权利要求1所述锌离子电池的制备方法，其特征在于，包括步骤：将PC/SiOC复合材料、聚偏二氟乙烯以及导电炭黑进行球磨处理后溶解在N
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甲基吡咯烷酮中，获得油墨组合物，所述PC/SiOC复合材料由多孔碳和互穿在所述多孔碳上的硅氧碳网络组成；通过真空过滤去除所述油墨组合物中的结块和大颗粒，室温下静置预定时间，制得墨水；利用低温直写3D打印技术将所述墨水打印在锌和不锈钢箔的一面，经过真空干燥处理后，制得阳极；将所述阳极、隔膜以及阴极依次安装在壳体内，并将带有浇注口的上盖安装在所述壳体上；在阴极上端焊接正极端子，在阳极上端焊接负极端子，从所述上盖的浇注口注入电解液至注满；在所述上盖的浇注口处安装密封盖，制得所述锌离子电池。8.根据权利要求7所述锌离子电池的制备方法，其特征在于，利用低温直写3D打印技术将所述墨水打印在锌和不锈钢箔的一面，经过真空干燥处理后，制得锌离子电池无枝晶阳极的步骤包括：将所述墨水装入连接有可...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈张伟，涂勇强，伊德思，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：