一种修饰有聚合物的负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种修饰有聚合物的负极材料及其制备方法和应用，其中，所述负极材料包括二硫化钛和嵌入二硫化钛层间的聚合物；所述聚合物为聚吡咯、聚苯胺或聚噻吩。传统的锌离子电池一般以金属锌作为负极，金属锌虽具有导电性好、毒性低、比能量高等特点，但是，在电池的充放电循环过程中容易形成枝晶，刺穿隔膜引起电池短路，进而影响电池的循环寿命。本发明专利技术提供的负极材料利用聚合物嵌入二硫化钛层间进行修饰获得，将其用于水系锌离子电池中，不仅避免使用金属锌作为负极材料造成的锌枝晶问题，而且可以有效提升电池比容量、循环稳定性和倍率性等性能，进而延长水系锌离子电池的使用寿命、扩大水系锌离子电池的适用范围。扩大水系锌离子电池的适用范围。扩大水系锌离子电池的适用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种修饰有聚合物的负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电化学储能器领域，更具体地，涉及一种修饰有聚合物的负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]二次电池作为一种高效储能设备，被广泛运用于手机通讯和电动汽车等领域。目前商业运用最广泛的二次电池是锂离子电池，但是由于锂资源的成本高、安全性低和供应风险等问题，并不适合应用于大型电网能源技术中。与锂离子电池相比，锌基离子电池是一个很好的可替代性选择，因为锌基离子电池具有更高的容量(双电子反应)，更低的成本，以及更适中的氧化还原电位(
‑
0.762V vs.H/H
+
)。因此，开发可充电锌离子电池已成为当今一项紧迫而又具有吸引力的任务。
[0003]以水基电解质为基础的水系锌离子电池是一种成本更低、安全性更高、性价比更高的新型储能系统，并且有望替代现有的储能技术。与有机电解液不同，水系电解液的稳定电位窗口较窄，在选择水系锌离子电池的电极材料时必须认真考虑水的分解。原理上，如MnO2、V2O5、有机材料等正极材料，以及TiS2、金属锌等负极材料的反应电位在水分解电位之前，因而可以作为水系锌离子电池的电极材料。并且理论上，在水分解析氢的电压范围内，一个低电位的接受锌离子的负极和一个高电位的提供锌离子的正极就可以组合成水系锌离子电池。然而传统的锌离子电池一般以金属锌作为负极，金属锌负极具有导电性好、毒性低、比能量高等特点。但是，在电池的充放电循环过程中容易形成枝晶，刺穿隔膜引起电池短路，影响电池的循环寿命。因此，开发新型高性能的负极材料具有重要的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的第一个目的在于提供一种修饰有聚合物的负极材料。
[0005]本专利技术的第二个目的在于提供一种修饰有聚合物的负极材料的制备方法。
[0006]本专利技术的第三个目的在于提供一种修饰有聚合物的负极材料在水系锌离子电池中的应用。
[0007]本专利技术的第四个目的在于提供一种水系锌离子电池。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种修饰有聚合物的负极材料，所述负极材料包括二硫化钛和嵌入二硫化钛层间的聚合物；所述聚合物为聚吡咯、聚苯胺或聚噻吩。
[0010]二硫化钛(TiS2)具有优良的层状结构，将其作为水系锌离子电池的负极材料可以可逆地存储锌离子。本专利技术发现，利用聚合物原位嵌入策略不仅能促进TiS2负极材料中Zn
2+
的嵌入动力学，而且可以长效地存储Zn
2+
，进而将其作为水系锌离子电池的负极材料可以有效提高水系锌离子电池的循环稳定性和倍率性能。其中，聚合物原位嵌入策略主要从以下几方面促进TiS2中Zn
2+
的嵌入动力学：第一方面，聚合物嵌入可以在TiS2层之间构造一个显着增大的层间距离，从而为Zn
2+
提供便捷的扩散通道；第二方面，本专利技术选取的聚合物具有
独特的π共轭结构，该结构可以有效阻止Zn
2+
与主体S2‑
之间的静电相互作用，进而阻碍Zn
2+
扩散动力学；第三方面，本专利技术通过第一性原理计算等模拟手段表明聚合物嵌入TiS2层间可以显着降低Zn
2+
与主体S2‑
之间的结合能，进而提升Zn
2+
嵌入TiS2的反应动力学。
[0011]进一步，在所述负极材料中，所述聚合物的质量分数为1％
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50％。其中，本专利技术发现水系锌离子电池的循环稳定性和倍率性能与所述负极材料中的聚合物的质量分数并非呈现正比例关系，所述负极材料中聚合物的质量分数只有在本专利技术的范围内才能有效的提高水系锌离子电池的循环稳定性和倍率性能。优选的，所述聚合物的质量分数为1％
‑
20％；更优选的，所述聚合物的质量分数为1％
‑
10％；该质量分数的聚合物可以更进一步的提高水系锌离子电池的循环稳定性和倍率性能。
[0012]进一步，所述聚合物的聚合度小于10000。其中，若聚合物的聚合度过大将影响其成功嵌入二硫化钛层间；作为本专利技术的进一步优选，所述聚合物的聚合度为1000
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3000。
[0013]第二方面，本专利技术提供一种修饰有聚合物的负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0014]将二硫化钛放入氧化剂溶液中，进行一次超声处理，然后加入聚合物单体，进行二次超声处理，即得。
[0015]进一步，在上述方法中，所述氧化剂包括氯化铁或过硫酸铵。
[0016]所述氧化剂溶液的浓度为0.0005
‑
0.5M。本专利技术发现，如果氧化剂溶液的浓度过低，聚合物大多包覆于二硫化钛表面，难以嵌入二硫化钛层间；优选的，所述氧化剂溶液的浓度为0.05
‑
0.5M，该浓度范围内的氧化剂溶液可以促使更多聚合物嵌入二硫化钛层间。
[0017]所述一次超声处理的时间为0.1
‑
1小时。其中，一次超声处理不仅可以使二硫化钛层结构分明，而且可以使更多氧化剂附着于二硫化钛层间。
[0018]所述二次超声处理的时间为0.5
‑
12小时。其中，二次超声处理可以促使更多聚合物嵌入二硫化钛层间。
[0019]所述二次超声处理之后，还包括洗涤和干燥，所述洗涤为依次用去离子水和乙醇分别洗涤至少3次。
[0020]第三方面，本专利技术提供一种上述负极材料在水系锌离子电池中的应用。
[0021]第四方面，本专利技术提供一种水系锌离子电池。
[0022]进一步，所述水系锌离子电池包括负极材料、正极材料、电解液和隔膜；其中，负极材料为上述修饰有聚合物的负极材料。
[0023]进一步，所述正极材料为预嵌锌的二氧化锰或预嵌锌的五氧化二钒(预嵌锌的二氧化锰或预嵌锌的五氧化二钒可以根据现有方法制备，根据本专利技术的具体实施方式,具体方法包括如下步骤：利用液相氧化还原法制备二氧化锰或五氧化二钒，将二氧化锰或五氧化二钒与导电炭黑、粘结剂按照8:1:1的质量比调制成浆料后涂覆于石墨纸集流体上制作成电极片。将所述电极片分别与金属锌负极组装成电池后进行恒流放电测试，其中，二氧化锰电极放电至1.0V停止，可得到预嵌锌的二氧化锰(ZnMnO2)，或者五氧化二钒电极放电至0.3V停止，可得到预嵌锌的五氧化二钒(Zn2V2O5)。最后将所述的电池拆开后得到预嵌锌的二氧化锰或预嵌锌的五氧化二钒的电极材料；所述电解液为含锌的可溶性盐。
[0024]优选的，所述正极材料为预嵌锌的二氧化锰；所述含锌的可溶性盐为硫酸锌或三氟甲烷磺酸锌。
[0025]另外，如无特殊说明，本专利技术所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数
值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。本专利技术中制备方法如无特殊说明则均为常规方法，所用的原料如无特别说明均可从公开的商业途径获得或根据现有技术制得，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种修饰有聚合物的负极材料，其特征在于，所述负极材料包括二硫化钛和嵌入二硫化钛层间的聚合物；所述聚合物为聚吡咯、聚苯胺或聚噻吩。2.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，在所述负极材料中，所述聚合物的质量分数为1％
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50％。3.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述聚合物的聚合度小于10000。4.一种如权利要求1
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3任一所述的负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将二硫化钛放入氧化剂溶液中，进行一次超声处理，然后加入聚合物单体，进行二次超声处理，即得。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述氧化剂包括氯化铁或过硫酸铵；优选的，所述氧化剂溶液的浓度为0.0005
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0.5M。6.根据权利要求4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛面起，王旭升，曹天琦，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：