一种电池负极材料及其制备方法和锌离子电池及其制法技术

本发明专利技术涉及一种电池负极材料及其制备方法和锌离子电池及其制法，解决现有水系锌离子电池由于内部不均匀的电场和离子场导致锌枝晶的形成以及界面处严重的副反应和表面腐蚀导致电池循环寿命短和库伦效率低的问题。本发明专利技术的电池负极材料以TTP作为锌负极人工界面层，由该负极材料可以得到无枝晶长循环寿命的水系锌离子电池，TTP作为人工界面层一方面能够阻断锌负极和电解液的直接接触，抑制表面副反应和析氢反应；另一方面能够有效抑制锌枝晶的形成并诱导均匀的锌沉积，从而延长电池的循环寿命，使其组装的对称电池在0.885mA cm

【技术实现步骤摘要】
一种电池负极材料及其制备方法和锌离子电池及其制法


[0001]本专利技术属于锌离子电池
，具体涉及一种电池负极材料及其制备方法和锌离子电池及其制法。

技术介绍

[0002]锂离子电池具有能耗低、比容量和比能量高、工作温度范围宽、存储寿命长等理想特性，可广泛应用于便携式电子设备等，一直主导着便携式电子产品和电动汽车的应用市场。然而，循环过程中锂枝晶无序生长、有机电解质易燃且不易降解、锂资源可持续性不足等问题日益备受关注，为锂离子电池进一步商业化发展带来了挑战。因此，许多研究人员将目光转移到具有高能量密度、高性价比、安全性和环保性的水系锌离子电池的开发上。该电池采用水系电解液，传输速率较有机电解液传输速率大约高两个数量级，并且具有相当高的安全性。它具有820mA h g
‑1的高理论容量和
‑
0.76V vs.SHE的低氧化还原电位，还具有制备过程简单的优点，在大型储能装置领域具有广阔的应用前景。但其仍然面临着许多棘手的问题，特别是在锌金属负极问题上，如锌枝晶的生长、析氢反应、副产物的形成和表面腐蚀等。
[0003]锌负极的性能决定了电池整体的性能，因此选择人工界面层来实现对锌负极界面改性近年来被公认为是一种简单有效的方法。目前用于构筑人工界面层的材料主要包括导电性较好的碳材料，无机氧化物材料，有机聚合物材料等。有机材料通常比无机材料具有更好的柔韧性，在长期电池充放电过程中产生电极体积膨胀的情况下，更不易发生脱落和断裂，且多种多样的官能团具有很多锌沉积活性位点，十分有利于调控均匀的锌沉积，因此更具有研究和大规模应用的价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决现有技术中水系锌离子电池由于内部不均匀的电场和离子场导致锌枝晶的形成以及界面处严重的副反应和表面腐蚀，进而导致电池循环寿命短和库伦效率低的技术问题，提供一种电池负极材料及其制备方法和锌离子电池及其制法。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案具体如下：
[0006]本专利技术提供一种电池负极材料，其为带有人工界面层的锌金属箔；所述人工界面层包括1,3,5,9
‑
四噻吩芘(简称TTP)和粘结剂；
[0007]所述1,3,5,9
‑
四噻吩芘的结构式如下：
[0008][0009]在上述技术方案中，优选的是，所述粘结剂为聚偏二氟乙烯(简称PVDF)。
[0010]在上述技术方案中，优选的是，所述1,3,5,9
‑
四噻吩芘和粘结剂的质量比为8： 1。
[0011]本专利技术提供一种电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012]将锌金属箔用砂纸进行抛光打磨以去除其表面的氧化锌，随后将打磨过的锌金属箔用打孔器制成电极片，接着将电极片置于匀胶机，旋涂包括1,3,5,9
‑
四噻吩芘和粘结剂的混合溶液，随即进行真空烘干处理。
[0013]在上述技术方案中，优选的是，所述旋涂条件为：转速为1500rpm，旋转时间15s。
[0014]在上述技术方案中，优选的是，所述真空烘干处理的条件为：80℃的干燥温度下真空烘干处理16h。
[0015]本专利技术还提供一种水系锌离子电池，其为对称电池，其电池结构包括正极壳、正极材料、电解液、隔膜、电解液、负极材料、垫片、弹簧片和负极壳；
[0016]所述正极材料和所述负极材料相同，为带有人工界面层的锌金属箔，人工界面层包括1,3,5,9
‑
四噻吩芘和粘结剂；
[0017]所述电解液为ZnSO4水溶液；
[0018]或者其为半电池，其电池结构包括正极壳、正极材料、电解液、隔膜、电解液、负极材料、垫片、弹簧片和负极壳；
[0019]所述正极材料为Ti箔；
[0020]所述负极材料为带有人工界面层的锌金属箔，人工界面层包括1,3,5,9
‑
四噻吩芘和粘结剂；
[0021]所述电解液为ZnSO4水溶液。
[0022]在上述技术方案中，优选的是，所述正极壳为不锈钢扣式电池壳CR2032型号，所述垫片和弹簧片为不锈钢片，所述负极壳为不锈钢扣式电池壳CR2032型号，所述隔膜为直径为1.6cm的Whatman GF/F玻璃纤维滤纸，所述电解液的浓度为2mol
·
L
‑1，所述Ti箔的厚度为0.02mm。
[0023]本专利技术还提供一种含有本专利技术所述负极材料的水系锌离子电池的制备方法，包括以下步骤：
[0024]1)正极壳、负极壳、垫片、弹簧片的处理：
[0025]将正极壳、负极壳、垫片、弹簧片分别使用去离子水和无水乙醇超声清洗；
[0026]2)负极材料的制备及处理：
[0027]将锌金属箔用砂纸进行抛光打磨以去除其表面的氧化锌，随后将打磨过的锌金属箔用打孔器制成电极片，将电极片置于匀胶机，旋涂包括1,3,5,9
‑
四噻吩芘和粘结剂的混合溶液，随即进行真空烘干处理；
[0028]3)对称电池的组装：
[0029]分别在负极壳中放入弹簧片、垫片、负极片，滴入电解液，放入隔膜，再滴入电解液使隔膜被完全浸润，在与负极片完全对准的情况下放入正极片，随后扣上正极壳，装入塑料自封袋中转移至液压电池封装机进行封装；
[0030]或者4)半电池的组装：
[0031]分别在负极壳中放入弹簧片、垫片、负极片，滴入电解液，放入隔膜，再滴入电解液使隔膜被完全浸润，在与负极片完全对准的情况下放入正极片Ti箔，随后扣上正极壳，装入
塑料自封袋中转移至液压电池封装机进行封装。
[0032]在上述技术方案中，优选的是，步骤2)中所述包括1,3,5,9
‑
四噻吩芘和粘结剂的混合溶液具体为：溶质为TTP和粘结剂PVDF、溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮 (NMP)的溶液。
[0033]本专利技术的有益效果是：
[0034]本专利技术提供的电池负极材料，是以1,3,5,9
‑
四噻吩芘的有机材料作为锌负极人工界面层，由该负极材料可以得到无枝晶长循环寿命的水系锌离子电池，TTP 作为人工界面层一方面能够阻断锌负极和电解液的直接接触，抑制表面副反应和析氢反应(参见图1)；另一方面能够有效抑制锌枝晶的形成并诱导均匀的锌沉积，从而延长电池的循环寿命，使其组装的对称电池在0.885mA
·
cm
‑2的电流密度下以51mV的极化电压稳定循环近1000小时，同时半电池库伦效率达到 99.5％。
附图说明
[0035]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。
[0036]图1是本专利技术的以TTP为负极人工界面层的水系锌离子电池抑制表面枝晶生长和副反应的示意图。
[0037]图2是本专利技术制备的裸锌和以TTP为人工界面层的锌箔分别作为电极的水系锌离子对称电池在0.885mA
·
cm
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电池负极材料，其特征在于，其为带有人工界面层的锌金属箔；所述人工界面层包括1,3,5,9
‑
四噻吩芘和粘结剂；所述1,3,5,9
‑
四噻吩芘的结构式如下：2.根据权利要求1所述的电池负极材料，其特征在于，所述粘结剂为聚偏二氟乙烯。3.根据权利要求2所述的电池负极材料，其特征在于，所述1,3,5,9
‑
四噻吩芘和粘结剂的质量比为8：1。4.一种权利要求1
‑
3任意一项所述的电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将锌金属箔用砂纸进行抛光打磨以去除其表面的氧化锌，随后将打磨过的锌金属箔用打孔器制成电极片，接着将电极片置于匀胶机，旋涂包括1,3,5,9
‑
四噻吩芘和粘结剂的混合溶液，随即进行真空烘干处理。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述旋涂条件为：转速为1500rpm，旋转时间15s。6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述真空烘干处理的条件为：80℃的干燥温度下真空烘干处理16h。7.一种含有权利要求1
‑
3任意一项所述的电池负极材料的水系锌离子电池，其特征在于，其为对称电池，其电池结构包括正极壳、正极材料、电解液、隔膜、电解液、负极材料、垫片、弹簧片和负极壳；所述正极材料和所述负极材料相同，为带有人工界面层的锌金属箔，人工界面层包括1,3,5,9
‑
四噻吩芘和粘结剂；所述电解液为ZnSO4水溶液；或者其为半电池，其电池结构包括正极壳、正极材料、电解液、隔膜、电解液、负极材料、垫片、弹簧片和负极壳；所述正极材料为Ti箔；所述负极材料为带有人工界面层的锌金属箔，人工界面层包括1,3,5,9
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【专利技术属性】
技术研发人员：王晓峰，齐昕，胡鉴勇，于大明，尤霆，唐浩然，朱子墨，
申请(专利权)人：储天新能源科技长春有限公司，
类型：发明
国别省市：