纳米纤维素及水系锌离子电池柔性自支撑正极的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米纤维素及水系锌离子电池柔性自支撑正极的制备方法，该方法具有简便、经济、省时和环保的特点，本发明专利技术中纳米纤维素的制备过程避免了使用高浓度强碱溶液在高温下进行脱木质素，而是采用紫外光辐照来辅助脱木质素，并仅需通过后续的超声处理即可使纤维素纳米化；本发明专利技术利用纳米纤维素作为粘结剂、机械骨架和“电解液贮存器”来实现用于水系锌离子电池的柔性自支撑正极，避免使用了昂贵的集流体，并能够提高水系锌离子电池的倍率性能、循环稳定性和能量密度。循环稳定性和能量密度。循环稳定性和能量密度。

【技术实现步骤摘要】
纳米纤维素及水系锌离子电池柔性自支撑正极的制备方法


[0001]本专利技术涉及天然高分子材料及电池电极，特别是一种纳米纤维素及水系锌离子电池柔性自支撑正极的制备方法。

技术介绍

[0002]在实现碳中和和碳达峰高紧迫性的背景下，生物质资源应当受到更高的重视。作为地球上储量最丰富的天然高分子材料，纤维素具有一系列的优点，包括丰富的羟基官能团、低密度、高热稳定性、生物降解性、可再生性、环境友好性等。当纤维素的尺度下降到纳米级的时候，所得纳米纤维素不仅能够继承纤维素的优点，还具有杰出的力学性能和极大的比表面积。因此，纳米纤维素已成为多个领域功能材料的理想组成构件。应当指出，纳米纤维素获得广泛应用的前提是开发出简便、经济和绿色的制备方法。纳米纤维素的制备方法一般分为两个步骤：(1)提取纤维素；(2)纤维素纳米化。第一个步骤通常通过强碱溶液热处理和后续的漂白工艺来实现，而第二个步骤通常采用2,2,6,6
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四甲基哌啶氧化物氧化处理、硫酸水解、酶解、高压均质等工艺。即：现有的纳米纤维素的制备方法普遍需要强烈的化学处理和长时间的制备过程。
[0003]得益于低成本、高安全性、极具竞争力的能量密度等优势，水系锌离子电池正受到越来越多的关注。但是，已见报道的水系锌离子电池的正极几乎都采用昂贵的钛箔作为集流体，增加了成本。也有个别文献中采用碳布作为集流体来构建柔性锌离子电池，但是碳布的价格更为高昂。事实上，集流体的使用还会降低电池的能量密度。为此，有些报道中采用柔性自支撑电极的结构。但是，绝大多数水系锌离子电池的柔性自支撑电极采用的是抽滤制备方法，不利于规模化制备。
技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种简便、经济、省时和环保的纳米纤维素及水系锌离子电池柔性自支撑正极的制备方法。
[0005]技术方案：本专利技术所述的一种纳米纤维素及水系锌离子电池柔性自支撑正极的制备方法，包括以下步骤：
[0006](1)将生物质材料经过粉碎和球磨处理之后，浸在含有15～30wt％H2O2和0.05～3wt％碱的混合水溶液中，然后采用紫外灯辐照0.5～6h，再进行洗涤和干燥；
[0007](2)将步骤(1)所得纤维素粉末分散在水中，超声处理10min～4h后得到纳米纤维素分散液；
[0008](3)将步骤(2)所得纳米纤维素分散液冻干得到纳米纤维素粉末，或者调整其浓度至合适的值；
[0009](4)将水系锌离子电池正极材料粉末、导电剂和纳米纤维素分散在水中，搅拌均匀；
[0010](5)将步骤(4)所得浆料浇铸在基板上，经自然晾干后转移至50～100℃的烘箱中进一步干燥；
[0011](6)将步骤(5)所得膜材压制后得到柔性自支撑电极。
[0012]所述步骤(1)中的生物质材料包括秸秆、木材、植物叶片中的任意一种或多种的组合。
[0013]所述步骤(1)中的碱包括NaOH、KOH、LiOH中的任意一种或多种的组合。
[0014]所述步骤(1)中，经过粉碎和球磨处理之后的生物质材料与混合水溶液的比例为1g：5～20mL。
[0015]所述步骤(4)中的正极材料包括锰氧化物或其复合材料、钒氧化物或其复合材料、钒酸盐或其复合材料、导电聚合物或其复合材料中的任意一种或多种的组合。
[0016]所述步骤(4)中的导电剂包括MXene、碳纳米管、石墨烯、导电炭黑、高导电石墨中的任意一种或多种的组合。
[0017]所述步骤(4)中水系锌离子电池正极材料粉末与水的比例为20～200mg：1mL。
[0018]所述步骤(4)中导电剂与水的比例为5～50mg：1mL。
[0019]所述步骤(4)中纳米纤维素与水的比例为5～50mg：1mL。
[0020]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：
[0021]1、本专利技术中纳米纤维素的制备过程避免了使用高浓度强碱溶液在高温下进行脱木质素，而是采用紫外光辐照来辅助脱木质素，并仅需通过后续的超声处理即可使纤维素纳米化；
[0022]2、本专利技术更为简便、经济、省时和环保；
[0023]3、本专利技术利用纳米纤维素作为粘结剂、机械骨架和“电解液贮存器”来实现用于水系锌离子电池的柔性自支撑正极，避免使用了昂贵的集流体，并能够提高水系锌离子电池的倍率性能、循环稳定性和能量密度。
附图说明
[0024]图1为本专利技术的步骤流程图；
[0025]图2为实施例1所得纳米纤维素的TEM图；
[0026]图3为实施例2所得纳米纤维素的SEM图；
[0027]图4为实施例3所得柔性自支撑正极的照片；
[0028]图5为实施例3所得水系锌离子电池的倍率性能；
[0029]图6为实施例3所得水系锌离子电池的循环性能；
[0030]图7为实施例4所得水系锌离子电池的倍率性能；
[0031]图8为实施例4所得水系锌离子电池的循环性能；
[0032]图9为对比例1所得水系锌离子电池的倍率性能；
[0033]图10为对比例1所得水系锌离子电池的循环性能。
具体实施方式
[0034]下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。
[0035]如图1所示，一种纳米纤维素及水系锌离子电池柔性自支撑正极的制备方法，包括以下步骤：
[0036](1)将生物质材料经过粉碎和球磨处理之后，浸在含有15～30wt％H2O2和0.05～3wt％碱的混合水溶液中，然后采用紫外灯辐照0.5～6h，再进行洗涤和干燥。所述生物质材
料包括但不限于秸秆、木材、植物叶片中的任意一种或多种的组合；所述碱包括但不限于NaOH、KOH、LiOH中的任意一种或多种的组合；所述粉碎和球磨后的生物质材料与混合水溶液的比例为1g：5～20mL。
[0037](2)将步骤(1)所得纤维素粉末分散在水中，超声处理10min～4h后得到纳米纤维素分散液。
[0038](3)将步骤(2)所得纳米纤维素分散液冻干得到纳米纤维素粉末，或者调整其浓度至合适的值。
[0039](4)将水系锌离子电池正极材料粉末、导电剂和纳米纤维素分散在水中，搅拌均匀。所述正极材料包括但不限于锰氧化物(或其复合材料)、钒氧化物(或其复合材料)、钒酸盐(或其复合材料)、导电聚合物(或其复合材料)中的任意一种或多种的组合；所述导电剂包括但不限于MXene、碳纳米管、石墨烯、导电炭黑、高导电石墨中的任意一种或多种的组合；所述水系锌离子电池正极材料粉末与水的比例为20～200mg：1mL；所述导电剂与水的比例为5～50mg：1mL；所述纳米纤维素与水的比例为5～50mg：1mL。
[0040](5)将步骤(4)所得浆料浇铸在基板上，经自然晾干后转移至50～100℃的烘箱中进一步干燥。
[0041](6)将步骤(5)所得膜材压制后得到柔性自支撑电极。
[0042]实施例1
[0043](1)将麦秆经过粉碎和球本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米纤维素及水系锌离子电池柔性自支撑正极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将生物质材料经过粉碎和球磨处理之后，浸在含有15～30wt％H2O2和0.05～3wt％碱的混合水溶液中，然后采用紫外灯辐照0.5～6h，再进行洗涤和干燥；(2)将步骤(1)所得纤维素粉末分散在水中，超声处理10min～4h后得到纳米纤维素分散液；(3)将步骤(2)所得纳米纤维素分散液冻干得到纳米纤维素粉末，或者调整其浓度至合适的值；(4)将水系锌离子电池正极材料粉末、导电剂和纳米纤维素分散在水中，搅拌均匀；(5)将步骤(4)所得浆料浇铸在基板上，经自然晾干后转移至50～100℃的烘箱中进一步干燥；(6)将步骤(5)所得膜材压制后得到柔性自支撑电极。2.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素及水系锌离子电池柔性自支撑正极的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的生物质材料包括秸秆、木材、植物叶片中的任意一种或多种的组合。3.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素及水系锌离子电池柔性自支撑正极的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的碱包括NaOH、KOH、LiOH中的任意一种或多种的组合。4.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素及水系锌离子电池柔...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈继章，陈敏峰，吴恬，周维君，全玉辉，王秋亚，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：