一种负极改性剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种负极改性剂及其制备方法和应用。所述制备方法包括：对预处理后的仙人掌段依次进行冷冻、冻干和研磨后，得到所述负极改性剂。本发明专利技术对生活中常见的仙人掌进行简单处理，制备了可食用水系锌离子电池负极改性剂，并通过常规的电池极片涂敷方式对负极锌箔进行涂敷改性。本发明专利技术公开的负极改性剂原料易得，方法简单，具有普适性，适用于大规模储能领域。领域。领域。

【技术实现步骤摘要】
一种负极改性剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锌离子电池领域，涉及一种负极改性剂的制备方法，尤其一种负极改性剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着能源需求的急剧增加，为应对传统化石能源日益枯竭的全球性挑战和相关的环境问题，许多国家和地区都加大了对太阳能、风能、水电等可再生能源的投资。虽然有低碳或非碳清洁能源，但可再生能源供电系统的产生和转换具有间歇性、不稳定、不可控等特点。非水锂离子电池是目前应用最广泛的可充电电化学器件。然而，由于人们对其潜在安全问题的关注越来越多，阻碍了锂离子电池的大规模应用。此外，地球上锂资源的高成本和低丰度也限制了锂矿的长期发展。与传统的基于有机电解质的锂电池相比，水系锌离子电池具有更安全、成本更低、更易加工、离子电导率更高的特点，具有大规模储能的前景。
[0003]锌的天然丰度高，大约是锂的300倍，而且对环境有良好的抵抗力，因此锌的购买和加工成本较低。非常重要的是，Zn负极还具有理论容量高的固有优势。因此，水系锌离子电池引起了足够的关注。众所周知，负极作为水系锌离子电池的重要组成部分，对电池的性能和寿命尤为重要。然而，虽然锌负极具有固有的优势，但其中的Zn枝晶生长仍然是一个挑战，这个问题可能会对水系锌离子电池造成毁灭性的打击。根据之前的报道，枝晶生长会显著降低锌负极的容量和库仑效率。并且，这些锌枝晶在循环过程中会刺穿隔膜导致电池内部短路，甚至引发安全问题，极大地限制了锌离子电池的进一步发展与应用。根据现有技术抑制锌枝晶生长的机理，通过在金属锌表面构建人工界面层，获得具有保护膜的稳定锌金属表面，以此抑制锌枝晶的生长，从而能提高锌离子电池的长循环稳定性，但是现有的人工界面层多为有机类添加剂，制作过程繁琐且存在有机毒性及稳定性低的问题。
[0004]CN 114835161 A公开了一种锌离子电池负极及其活性材料的制备方法、锌离子电池。锌离子电池负极活性材料的制备方法包括制备得到一种四硫化钒负极活性材料，提供大量的可供锌离子嵌入和脱出的活性位点。从而提高锌离子的迁移动力学，降低锌枝晶的生长，从而提高负极材料的循序稳定性。但是四硫化钒的制备方法需要将钒源和硫源进行水热反应，制备过程消耗大，水热反应应用于工业难以实现大规模生产。
[0005]CN 114899349A公开了一种锌离子电池负极锌改性抑制锌枝晶生长的方法。将PVB、无水乙醇和Nafion溶液按照一定比例配置，以旋涂的方法在锌电极片上构建人工界面层。但是制备方法复杂，不适合大规模生产。
[0006]因此，开发一种简单便捷且能够抑制锌枝晶生长的绿色环保的可行方案是锌离子电池实用化的关键。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种负极改性剂及其制备方法和应用。
[0008]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
本专利技术的目的之一在于提供一种负极改性剂的制备方法，所述制备方法包括：对预处理后的仙人掌段依次进行冷冻、冻干和研磨后，得到所述负极改性剂。
[0009]本专利技术公开的负极改性剂原料易得，方法简单，具有普适性，适用于大规模储能领域。研究表明，本专利技术涉及的技术方案在不影响水系锌离子电池优势的基础上,对锌负极再沉积形貌及锌枝晶的形成产生的影响，对应的锌负极表面可以更均匀的沉积。在不同的电流密度下，均展现出了可观的可逆比容量,能够有效增强电池整体的循环和倍率性能。
[0010]本专利技术中冻干操作的前提是样品是完全冷冻状态，所以冻干之前需要先进行冷冻，确保样品完全处于结冰状态，没有水分。冻干处理的目的是将样品中部已冷冻凝固的液体直接升华，使原有样品最大限度地保持原有成份，保证样品的结构不发生坍塌，冻干处理将仙人掌孔隙中的水分的水分完全冻干，仙人掌内部微观结构的细胞结构中仍然存在水分。冻干与普通的干燥相比，冻干在低温低压条件下进行，水分未经过液态直接升华，可以维持仙人掌样品中各成分的组成，尤其是保证了仙人掌样品中易挥发的热敏性成分不损失，因而有效地防止干燥过程中氧化、营养成分的转化和状态的变化。作为本专利技术优选的技术方案，所述预处理包括将仙人掌表面的刺清除干净。
[0011]所述刺包括长刺和绒毛，本专利技术中刺可以包括长刺或绒毛。
[0012]所述仙人掌段的切断长度为3~6cm，其中所述切断长度可以是3 cm、4 cm、5 cm或6 cm等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0013]作为本专利技术优选的技术方案，所述冷冻的温度为
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40~
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60℃，其中所述温度可以是
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40℃、
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45℃、
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50℃、
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55℃或
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60℃等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0014]本专利技术中冷冻处理的温度过高容易造成样品内部水分不能在有效时间内完全凝固，导致在冻干操作时造成仙人掌样品成分损失或结构坍塌的问题。
[0015]所述冷冻的时间为6~24h，其中所述时间可以是6h、8h、10h、12h、14h、16h、18h、20h、22h或24h等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0016]所述冻干的时间为20~40h，其中所述时间可以是20h、22h、24h、26h、28h、30h、32h、34h、36h、38h或40h等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0017]本专利技术中冻干的时间过短，会造成仙人掌样品中的固态水由于不完全冻干而处理不干净，冻干结构后由于温度升高而变成原有液态而造成样品结构坍塌。
[0018]所述负极改性剂的粒径为60~90
µ
m，其中所述粒径可以是60
µ
m、65
µ
m、70
µ
m、75
µ
m、80
µ
m、85
µ
m或90
µ
m等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0019]本专利技术中负极改性剂的粒径过长时，由于过大的粒径尺寸容易造成循环过程中改性涂层脱落，影响电池的循环性能；粒径过短时，较小的粒径可能不能完全起到阻隔锌枝晶的作用，此处的粒径指的是所有负极改性剂的粒径。
[0020]本专利技术的目的之二在于提供一种负极改性剂，所述负极改性剂由如目的之一所述的负极改性剂的制备方法制备得到。
[0021]本专利技术中负极改性剂中元素的重量份包括：19.48wt%C、0.72wt%N、14.35wt%O、0.35 wt%Mg、0.74 wt%Al、2.34wt%K、0.08wt%Zn和61.94wt%Au。
[0022]本专利技术中负极改性剂具有“茶叶状”片层结构，由于其特殊的空间结构，通过合理的表面复合，可以充分起到保护锌负极的作用：1）特殊的层状结构加大了锌离子的传输通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负极改性剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：对预处理后的仙人掌段依次进行冷冻、冻干和研磨后，得到所述负极改性剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预处理包括将仙人掌表面的刺清除干净；所述仙人掌段的切断长度为3~6cm。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷冻的温度为
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40~
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60℃；所述冷冻的时间为6~24h；所述冻干的时间为20~40h；所述负极改性剂的粒径为60~90μm。4.一种负极改性剂，其特征在于，所述负极改性剂由如权利要求1
‑
3任一项所述的负极改性剂的制备方法制备得到。5.一种负极片，其特征在于，所述负极片包括负极集流体和设置于所述负极集流体上的负极活性层，所述负极活性层包括负极导电剂、负极粘结剂和如权利要求4所述的负极改性剂。6.根据权利要求5所述的负极片，其特征在于，所述负极导电剂包括Super P、乙炔黑或科琴黑中的任意一种或至少两种的组合；所述负极粘结剂包括PVDF；所述负极改性剂、负极导电剂和负极粘结剂的质量比为(6.5~7.5):(1.5~2.5):1...

【专利技术属性】
技术研发人员：高宁，胡超权，李畅，宋洋，
申请(专利权)人：中科南京绿色制造产业创新研究院，
类型：发明
国别省市：