一种冷等静压机大规模处理锌箔制备表面微裂纹结构的方法及其在锌电池中的应用技术

本发明专利技术属于二次锌电池领域，具体公开了一种冷等静压机大规模处理锌箔制备表面微裂纹结构的方法及其在锌电池中的应用。这种微裂纹结构由200MPa冷等静压机巧妙创建。制备方法为先清洗锌箔，放置烘箱中充分干燥；将锌箔置于冷等静压机缸体容器内，设置200MPa冷等静压参数，升压降压时间均为180s，保压时间120s；通过冷等静压处理在锌箔表面获得微裂纹结构。该微裂纹结构改变了锌自身的晶体结构，增加了锌离子传输通道，能够均匀锌的成核从而引导锌的生长，促进锌离子均匀沉积；同时去除了锌表面原有的树突尖峰和杂质，避免了枝晶沿树突直立生长刺破隔膜的发生，实现了长循环寿命、高性能稳定的二次锌电池。稳定的二次锌电池。稳定的二次锌电池。

【技术实现步骤摘要】
一种冷等静压机大规模处理锌箔制备表面微裂纹结构的方法及其在锌电池中的应用


[0001]本专利技术属于新型电池储能领域，尤其是涉及一种冷等静压机大规模处理锌箔制备表面微裂纹结构的方法及其在锌电池中的应用。

技术介绍

[0002]可充电锂离子电池在便携式设备、汽车和应急设备中得到了广泛的商业应用。然而锂金属的自然丰度较差且价格昂贵，限制了锂电池用于大规模商业化储能。同时，锂电池中使用的有机电解液有毒且易燃，造成了很大安全性问题。近年来随着我国电化学储能电站的大规模建设和运行，已经发生多起储能电站火灾事故，造成了很大经济损失。由于锌金属天然丰度大、体积容量高、水系电解质安全性高等优点，锌离子电池有望成为新型储能电池的绝佳替代品。因此，研究锌电池对于未来储能等领域发展具有不可替代的实用价值。
[0003]但是研究者们往往忽略了锌金属在生产过程中不可避免的存在杂质以及尖峰树突问题。根据热力学原理，这会促进锌离子在尖峰树突处优先成核并反复沉积，造成了“尖端效应”并刺破隔膜导致电池短路死亡。基于此研究者们也展开了一系列处理方法，比如锌表面涂覆保护层，电解质添加剂调节锌离子沉积，3D结构改变锌自身结构等。然而这些方法虽然能一定程度上抑制锌枝晶生长，延长循环寿命，但是因其制备工艺复杂、成本高，难以规模化投入使用。因此要彻底解决锌金属自身存在的这些问题并投入大规模使用，必须从锌结构出发寻找简单有效的处理方法。
[0004]根据上述问题，200MPa冷等静压机可以巧妙地创造锌表面微裂纹结构用于高性能锌负极并可以大规模投入生产使用。200MPa去除了表面的杂质和尖端树突，避免了锌沉积过程中的“尖端效应”，同时形成的微裂纹结构可以增多锌离子传输通道，增加锌的成核位点并均匀调控锌枝晶的有序生长，提高其循环稳定性。所得到的微裂纹结构锌负极，分别在电流密度为2mA cm
‑2、5mA cm
‑2测试条件下测试，相比于未处理的锌负极，电池寿命均提升7倍以上。为研究其实用性，组装成软包电池可实现长循环寿命并成功点亮LED灯，表现出很好的使用价值。与其他专利相比，本技术最明显的特征就是工艺简单、成本低，可以大规模投入使用，其次使用该锌负极在大电流密度条件下可实现超长循环寿命。因此本技术可为寻找高性能锌负极并规模化使用提供有力支撑，对未来储能领域研究有很好参考价值。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种冷等静压机大规模处理锌箔制备表面微裂纹结构的方法及其在锌电池中的应用，本申请的微裂纹锌箔用于锌负极时，可提供更多锌离子传输通道，增加锌成核位点并诱导锌离子均匀沉积，提高了锌电池的循环寿命。
[0006]为解决本专利技术的技术问题，所采用的技术方案为：一种冷等静压机大规模处理锌箔制备表面微裂纹结构的方法，步骤如下：
1）清洗锌箔，干燥；2）将锌箔密封后置于冷等静压机的缸体容器中；3）点击冷等静压机的补液按钮，对冷等静压机缸内进行补液至充满缸体容器；4）设置冷等静压压力为200MPa、升压时间为180秒、保压时间为120秒、降压时间为180s，结束后，拆除锌箔密封，对处理后的锌箔进行清洗、干燥以获得锌箔表面微裂纹结构。
[0007]进一步地，所述步骤1）和步骤4）中的清洗均是使用乙醇或丙酮超声清洗，所述干燥是将所述锌箔置于干燥箱或真空烘箱中干燥，干燥温度为40℃。
[0008]进一步地，所述冷等静压机原是将装入密封、弹性模具中的物料，置于盛装液体的容器中，用液体对其施加以一定的压力，将物料压制成实体得到原始形状坯体的设备。所述锌片密封为用密封袋或保鲜膜封装并用密封胶固定，所述缸体容器为冷等静压机能承受高压的液体容器。所述补液为在容器中充分添加除锈剂液体至盛满容器。所述冷等静压为锌片在液体容器缸内各个方向所受液体压强相等。
[0009]进一步地，所述微裂纹覆盖锌箔表面，改变锌的自身结构并去除表面杂质以及树突尖峰。
[0010]上述制备方法制得的表面具有微裂纹结构的锌箔，所述微裂纹结构为微米级微裂纹遍布在锌箔表面，所述微裂纹结构是一种巧妙地锌结构形貌，改变了锌表面原有的杂质和尖峰树突；所述微裂纹结构可批量产生，200MPa冷等静压机一次性可大规模改善锌箔，对锌箔进行二次处理；所述微裂纹结构可促进电解液渗入锌内部，增加更多锌离子传输通道，诱导锌离子均匀沉积，提高锌的稳定性。
[0011]表面具有微裂纹结构的锌箔在锌电池中的应用。
[0012]进一步地，表面具有微裂纹结构的锌箔切割成表面具有微裂纹结构的锌片，以表面具有微裂纹结构的锌箔作为负极和正极，玻璃纤维作为隔膜，1mol/L硫酸锌溶液作为电解液，组装成锌纽扣对称电池。锌纽扣对称电池的结构为：正极壳、表面具有微裂纹结构的锌片、隔膜、表面具有微裂纹结构的锌片、垫片、负极壳。
[0013]进一步地，以表面具有微裂纹结构的锌箔作为负极，以二氧化钒作为正极，玻璃纤维作为隔膜，1mol/L硫酸锌溶液作为电解液，组装成锌纽扣全电池。锌纽扣全电池的结构为：正极壳、不锈钢网、二氧化钒正极、隔膜、表面具有微裂纹结构的锌片、垫片、负极壳。
[0014]进一步地，以表面具有微裂纹结构的锌箔作为负极和正极，玻璃纤维作为隔膜，1mol/L硫酸锌溶液作为电解液，组装成锌软包对称电池。锌软包对称电池的结构为：表面具有微裂纹结构的锌片、隔膜、表面具有微裂纹结构的锌片。
[0015]进一步地以表面具有微裂纹结构的锌箔作为负极，二氧化钒作为正极，玻璃纤维作为隔膜，1mol/L硫酸锌溶液作为电解液，组装成锌软包全电池。锌软包全电池的结构为：不锈钢网、二氧化钒正极、隔膜、表面具有微裂纹结构的锌片。
[0016]上述锌电池中，不锈钢网为400目不锈钢网，垫片厚度为500μm。
[0017]二氧化钒正极的制备过程为：将VO
2 粉末和碳黑粉末干磨5~15分钟，然后加入适量异丙醇和55~65wt% PTFE水溶液，继续湿磨直至形成膏状；使用辊压机将混合物卷成薄片，滚动时，不断加入异丙醇以保持PTFE粘性，使用切片机对长片进行切片，烘干，即得，正极片中VO2的负载量为5.40~6.0g cm
‑2，VO2粉末、碳黑和PTFE的质量比为6:2:2。
[0018]相对于现有技术的有益效果是：
其一，改善锌负极性能，大幅提高电池寿命。组装的对称电池在电流密度为1mA cm
‑2、2mA cm
‑2测试条件下，相比于未处理的锌负极，电池循环寿命远超纯锌负极，平均提升7倍以上。组装的全电池在0.1A g
‑1测试条件下，相比于未处理的锌负极，电池可循环1000次以上且容量仍保持在110mA h g
‑1以上，表现处优异的循环稳定性。与其他专利相比，本技术所使用的电解液浓度较低，为1mol L
‑1，电极工作电流密度大，但寿命远超其他专利方法。这主要是由于200MPa冷等静压机创造的锌表面微裂纹结构机理，微裂纹结构增加锌离子传输通道，可促进锌离子均本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冷等静压机大规模处理锌箔制备表面微裂纹结构的方法，其特征在于，步骤如下：1）清洗锌箔，干燥；2）将锌箔密封后置于冷等静压机的缸体容器中；3）点击冷等静压机的补液按钮，对冷等静压机缸内进行补液至充满缸体容器；4）设置冷等静压压力为200MPa、升压时间为180秒、保压时间为120秒、降压时间为180s，结束后，拆除锌箔密封，对处理后的锌箔进行清洗、干燥以获得锌箔表面微裂纹结构。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1）和步骤4）中的清洗均是使用乙醇或丙酮超声清洗，所述干燥是将所述锌箔置于干燥箱或真空烘箱中干燥，干燥温度为40℃。3.权利要求1或2所述的方法制得的表面具有微裂纹结构的锌箔。4.根据权利要求3所述的表面具有微裂纹结构的锌箔在锌电池中的应用。5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，表面具有微裂纹结构的锌箔切割成表面具有微裂纹结构的锌片，以表面具有微裂纹结构的锌片作为负极，以表面具有微裂纹结构的锌片或二氧化钒作为正极，玻璃纤维作为隔膜，1mol/L硫酸锌溶液作为电解液，组装成锌电池。6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，锌电池为锌软包全电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：金阳，张迪，鲁红飞，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：