一种有序共轭高分子材料在保护锌负极中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种有序共轭高分子材料在保护锌负极中的应用，所述应用包括将有序共轭高分子材料包覆于水系锌离子电池的锌负极表面；所述有序共轭高分子材料的包覆厚度为5纳米～10微米。本发明专利技术提供的新应用将有序共轭高分子材料包覆在水系锌离子电池的锌负极表面形成包覆层，不仅避免了直接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。电池的适用范围。电池的适用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种有序共轭高分子材料在保护锌负极中的应用


[0001]本专利技术涉及电化学储能器领域，更具体地，涉及一种有序共轭高分子材料在保护锌负极中的应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池因具有较高的比容量和电位，在能源存储和转移设备中得到了广泛的应用。但近年来，对电池安全性的要求逐渐加强，而锂离子电池存在成本高、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。因此，亟需寻找新的电池体系来替代具有高成本和低安全性的锂电池。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，以水基电解质为基础的水系锌离子电池是一种成本低、安全性高、能量密度可接受的新型储能系统，具有非常广阔的应用前景。然而传统的水系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，但锌金属负极在电池在充放电循环过程中容易形成枝晶，刺穿隔膜引起电池短路，从而降低电池的循环寿命。并且充电过程中，锌负极会存在氢气的产生，造成局部pH剧烈变化，从而引发锌金属的腐蚀。为了提高锌负极材料的综合电化学性能，人们采用各种方法对锌负极材料进行修饰、改性或包覆以便提高其导电性、循环稳定性、使用寿命、倍率性能等，这些策略可以有效地缓解枝晶问题，但金属锌产氢气的副反应及枝晶问题仍然存在，阻碍电池稳定性的提高。因此，提供一种有序共轭高分子材料的新应用来解决上述问题，对提高水系锌电池的电化学性能具有重要的意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种有序共轭高分子材料在保护锌负极中的应用。
[0004]为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0005]第一方面，本专利技术提供一种有序共轭高分子材料在保护锌负极中的应用，所述应用包括将有序共轭高分子材料包覆于水系锌离子电池的锌负极表面；所述有序共轭高分子材料的包覆厚度为5纳米～10微米。
[0006]需要说明的是，一般来说，聚合物是无序的，相互缠绕和相互穿插的，而本专利技术发现有序共轭高分子材料结构更加稳定，将其包覆在锌负极表面能够有效提高锌负极的结构稳定性，进而保障锌负极的循环性能，同时还可以提升电池整体的电子/离子电导率。此外，本专利技术发现所述包覆厚度只有在本专利技术范围内才可以起到更好的保护作用，若包覆厚度过低起不到有效保护的作用，过高又会减小能量密度，导致电池内阻过大。
[0007]根据本专利技术的具体实施方式，所述将有序共轭高分子材料包覆于水系锌离子电池的锌负极，具体包括以下步骤：将有序共轭高分子材料分散在溶剂中，将得到的分散液涂在水系锌离子电池锌负极表面，形成包覆层，即可；
[0008]根据本专利技术的具体实施方式，所述锌负极包括但不限于锌板、锌箔、锌粉、锌块、锌锭、锌棒、锌线、锌带、锌粒及各种相应形貌的锌合金等；如，所述锌负极为锌粉时，有序共轭
高分子材料包覆于锌负极表面后，在组装电池时还包括有调浆、涂布等操作。
[0009]根据本专利技术的具体实施方式，所述分散液涂在负极表面的工艺可以根据需要选择延流、涂布、涂覆、滴涂等任一种；若所述锌负极为锌粉时，所述分散液也可以通过浸渍将所述有序共轭高分子材料包覆于锌负极表面。
[0010]进一步，所述有序共轭高分子材料的制备方法，包括以下步骤：
[0011]将挥发性单体在微腔结构内进行原位蒸气聚合反应，得到位于微腔结构内的所述有序共轭高分子材料。
[0012]进一步，所述挥发性单体包括吡咯、噻吩、苯胺、3,4
‑
乙烯二氧噻吩、3
‑
甲氧基噻吩和3
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己基噻吩中的一种或多种。其中，所述挥发性单体为可导电的聚合单体，本领域人员知晓并不限于本专利技术所例举几种。
[0013]进一步，所述微腔结构为表面结合有氧化剂的微腔结构或自身具有氧化性的微腔结构。
[0014]进一步，微腔结构选自带有微孔的二维材料泡沫、具有孔隙的金属有机框架材料、密封或半密封的聚合物微腔、具有分子链间孔隙的聚合物、具有分子链间空隙的溶胀后的聚合物、由聚合物颗粒堆叠形成的微腔。
[0015]进一步，当所述微腔结构为表面结合有氧化剂的带有微孔的二维材料泡沫时，其制备包括如下步骤：
[0016]将包含氧化剂的二维材料的分散液进行冷冻干燥，得所述带有微孔的二维材料泡沫；
[0017]所述水分散液中，氧化剂的浓度为0.0005～0.05mol/L。
[0018]其中，通过控制水分散液中氧化剂的浓度，可以控制二维材料泡沫中的氧化剂的浓度，进而可以控制最终有序共轭高分子材料的有序度。
[0019]根据本专利技术的具体实施方式，所述分散液的溶剂包括但不限于水、醇类等任一种可以起到分散作用的常规溶剂。
[0020]进一步，所述二维层状材料包括单质类二维材料、金属/过渡金属硫族化合物二维材料或黏土类二维材料。
[0021]进一步，所述单质类二维材料包括石墨烯、硅烯、石墨炔和锑烯中的一种或多种；所述金属/过渡金属硫族化合物二维材料包括二硫化钼、二硫化硒、二硫化铼、二硒化钼中的一种或多种；所述黏土类二维材料包括二维碳化钛。
[0022]进一步，所述氧化剂包括氯化铁、过硫酸铵、氯化铝、三氯化钼、三氯化钌、过氧乙酸、过氧化氢和高锰酸钾中的一种或多种。
[0023]进一步，所述原位蒸气聚合反应的时间为1小时～50天，优选为1～6小时。
[0024]进一步，所述应用还包括将所述有序共轭高分子材料从微腔结构中分离的步骤。
[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，所述百分比如无特殊说明均为质量百分比，所述溶液若无特殊说明均为水溶液。
[0026]本专利技术的有益效果如下：
[0027]本专利技术首次将有序共轭高分子材料用于保护水系锌离子电池的锌负极，而得到的
包覆有有序共轭高分子材料保护层的锌负极不仅可以避免传统锌负极在使用过程中的锌枝晶问题，而且可以有效提升水系锌离子电池的比容量、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，为电化学储能器的推广运用奠定基础。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]图1示出实施例1的有序共轭高分子材料中的有序聚吡咯的分子结构示意图。
[0030]图2示出氧化石墨烯、聚吡咯及实施例1中制备的有序共轭高分子材料的红外光谱对比图。
[0031]图3示出实施例1的水系锌离子电池的循环性能测试图。
[0032]图4示出对比例1的水系锌离子电池的循环本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有序共轭高分子材料在保护锌负极中的应用，其特征在于，将有序共轭高分子材料包覆于水系锌离子电池的锌负极表面；所述有序共轭高分子材料的包覆厚度为5纳米～10微米。2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述有序共轭高分子材料的制备方法，包括以下步骤：将挥发性单体在微腔结构内进行原位蒸气聚合反应，得到位于微腔结构内的所述有序共轭高分子材料。3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述挥发性单体包括吡咯、噻吩、苯胺、3,4
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乙烯二氧噻吩、3
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甲氧基噻吩和3
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己基噻吩中的一种或多种。4.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述微腔结构为表面结合有氧化剂的微腔结构或自身具有氧化性的微腔结构。5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述微腔结构选自带有微孔的二维材料泡沫、具有孔隙的金属有机框架材料、密封或半密封的聚合物微腔、具有分子链间孔隙的聚合物、具有分子链间空隙的溶胀后的聚合物、由聚合物颗粒堆叠形成的微腔。6.根据权利要求5所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛面起，柴玉俏，张桓荣，
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：