带复合凝胶界面层的水系锌离子电池负极材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及水系离子电池技术，旨在提供一种带复合凝胶界面层的水系锌离子电池负极材料的制备方法。包括：向足量的氯化钾水溶液中加入丙烯酸钠、过硫酸铵、N,N

【技术实现步骤摘要】
带复合凝胶界面层的水系锌离子电池负极材料的制备方法


[0001]本专利技术属于水系离子电池
，特别涉及一种带复合凝胶界面层的水系锌离子电池负极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]社会经济的高速发展要求加快清洁能源的开发与应用进程，希望以此来减少化石燃料的使用对生态环境的破坏。受益于新能源汽车产业的发展，动力电池的需求不断上升也带动了锂电池的发展。但锂电池用电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐和添加剂构成，一般情况下有机溶剂的占比高达80
‑
90％。大量易燃且有毒的有机溶剂的使用给锂电池的安全性带来了困扰，也给电池的回收增加难度。此外，金属锂的资源有限，价格昂贵，其不耐弯折性无法满足为柔性电子器件供能的需要，这些因素严重限制了锂电池的发展。为此，亟待寻找更加安全的新型可充电电池来满足发展需求。
[0003]锌具有低平衡电位和氢反应的高过电位，是可以从水溶液中高效还原的所有元素中标准电位最低的元素。其理论比容量高达820mAh g
‑1，在水溶液里能够稳定的金属元素中，锌的能量也是最高的。同时，金属锌具有资源丰富、低毒性以及易处理等优点。此外，水系电解液多为水溶液，避免了有机醚类的使用，其离子电导率比有机电解液高2个数量级,因而水系电池通常且有更高的功率密度，且易制取和成本低。因此价格低廉、安全性高、无环境污染和高功率的水系离子电池是理想的绿色电池体系。
[0004]在目前的水系离子电池的研究中，大多数科研工作者都将目光集中在能够应用于新的正极材料和提升现有正极材料性能的策略。但是负极也面临着诸多问题，如枝晶、形变、析氢、钝化等，这些才是制约水系离子电池性能提升的关键。而且这些问题相互之间存在影响，在锌负极的结构设计和性能改进过程中如只改善其中一个问题，同时可能会引起多个连锁反应，加重其他问题的影响程度。
[0005]因此，对水系离子电池的负极材料的制备技术提出解决方案，对于高性能水系离子电池的研发生产而言具有重要意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种带复合凝胶界面层的水系锌离子电池负极材料的制备方法。
[0007]为解决技术问题，本专利技术的解决方案是：
[0008]提供一种带复合凝胶界面层的水系锌离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)向足量的氯化钾水溶液中加入丙烯酸钠、过硫酸铵、N,N
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亚甲基双丙烯酰胺和硝酸钠，在室温下搅拌30min；再加入MXene粉末，继续搅拌形成均相溶液；
[0010](2)将均相溶液转移至三电极电解池中作为反应介质，以铂电极为对电极和参比电极、以金属锌箔作为工作电极搭建电化学工作站；在原位电聚合反应的电场诱导下，锌箔
表面发生自由基还原反应，聚合生长形成MXene/聚丙烯酸钠复合凝胶层；
[0011](3)将负载了复合凝胶层的锌箔浸泡在去离子水中，除去表面附着的盐离子和未反应余物；取出后经干燥处理，得到用于水系锌离子电池的负极材料，在其表面具有复合凝胶界面层。
[0012]作为本专利技术的优选方案，所述步骤(1)中，氯化钾水溶液的浓度为1mol/L。
[0013]作为本专利技术的优选方案，所述步骤(1)中，丙烯酸钠、过硫酸铵、N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺、硝酸钠和MXene粉末的质量比为：0.0825～2.64︰0.12～3.84︰0.054～1.728︰0.212～6.80︰0.001～0.15。
[0014]作为本专利技术的优选方案，所述步骤(2)中，进行原位电聚合反应时，按循环伏安法、恒流脉冲法或恒压脉冲法进行控制；采用恒压脉冲法时，电压范围为
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2～2V，循环圈数为1～300圈。
[0015]或者，进一步优选为电压范围
‑
0.7～0.7V，循环圈数100圈。
[0016]作为本专利技术的优选方案，所述步骤(3)中，干燥处理是在真空下进行的，干燥时控制温度为1～100℃，时间为1～24h。
[0017]本专利技术进一步提供了前述方法制备获得的负极材料在进一步制备水系锌离子电池中的应用方法，是将所述负极材料进行切片得到电极片，用作水系锌离子电池的负极。
[0018]作为本专利技术的优选方案，所述电极片是圆形电极片，直径为1～19mm。
[0019]作为本专利技术的优选方案，所述水系锌离子电池是按下述步骤制备获得的：
[0020](1)将带复合凝胶界面层的负极材料进行切片，得到圆形电极片，作为水系锌离子电池的负极；
[0021](2)按7︰2︰1的质量比例取MnO2、Supper P和聚偏氟乙烯(PVDF)，一并溶于适量N
‑
甲基吡咯烷酮(NMP)中，混合均匀得到浆料；将浆料涂覆在Ti箔上，在60℃和真空条件下干燥24h后，切割成圆形电极片，作为水系锌离子电池的正极；正极电极片的直径略小于负极电极片；
[0022](3)配置2M的ZnSO4水溶液，作为水系锌离子电池的电解液；以玻璃纤维膜作为水系锌离子电池的隔膜；
[0023](4)按照2032电池正极壳、负极、玻璃纤维膜、ZnSO4电解液、负极、泡沫镍、2032电池负极壳的顺序依次放置，组装成对称电池；或者，
[0024]按照2032电池正极壳、正极、玻璃纤维膜、ZnSO4电解液、负极、泡沫镍、2032电池负极壳的顺序依次放置组装成全电池。
[0025]专利技术原理描述：
[0026]MXene是由MAX相处理得到的类石墨烯结构。MAX相的具体分子式为M n+1
AX n(n＝1,2or 3)，其中M指的是前几族的过渡金属，A指的是主族元素，X指的是C和/或N元素。由于M
‑
X具有较强的键能，A具有较活泼的化学活性，因此，可以通过刻蚀作用将A从MAX相中移除，从而得到类石墨烯的2D结构——MXene。
[0027]为了实现上述目的，本专利技术在KCl水溶液中加入作为单体的丙烯酸钠、作为引发剂的过硫酸铵、作为交联剂的N,N
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亚甲基双丙烯酰胺、作为催化剂的硝酸钠和作为无机导电物质的MXene粉末；搅拌均匀后形成均相溶液，转移至三电极电解池中将其作为反应介质；以铂电极为对电极和参比电极、以金属锌箔作为工作电极搭建电化学工作站。通过原位电
聚合方法，在脉冲循环电场刺激下，引发剂过硫酸铵产生大量自由基，持续的电场作用下，丙烯酸单体逐步发生聚合反应形成聚丙烯酸钠，导电的MXene片层插入到聚丙烯酸钠凝胶层中，形成了MXene/聚丙烯酸钠复合凝胶层。
[0028]原位生长能够增加凝胶层与金属基底的结合力，提高了电池的长循环稳定性，同时复合凝胶兼具了有机聚丙烯酸钠的网络结构和无机MXene的良好导电性，电子和离子的传输距离被有效缩短且高导电性的基体会提高电子传输速率，从而可有效提高电池的倍率性能。
[0029]本专利技术利用网络结构凝胶界面修饰的金属本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带复合凝胶界面层的水系锌离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)向足量的氯化钾水溶液中加入丙烯酸钠、过硫酸铵、N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺和硝酸钠，在室温下搅拌30min；再加入MXene粉末，继续搅拌形成均相溶液；(2)将均相溶液转移至三电极电解池中作为反应介质，以铂电极为对电极和参比电极、以金属锌箔作为工作电极搭建电化学工作站；在原位电聚合反应的电场诱导下，锌箔表面发生自由基还原反应，聚合生长形成MXene/聚丙烯酸钠复合凝胶层；(3)将负载了复合凝胶层的锌箔浸泡在去离子水中，除去表面附着的盐离子和未反应余物；取出后经干燥处理，得到用于水系锌离子电池的负极材料，在其表面具有复合凝胶界面层。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，氯化钾水溶液的浓度为1mol/L。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，丙烯酸钠、过硫酸铵、N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺、硝酸钠和MXene粉末的质量比为：0.0825～2.64︰0.12～3.84︰0.054～1.728︰0.212～6.80︰0.001～0.15。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，进行原位电聚合反应时，按循环伏安法、恒流脉冲法或恒压脉冲法进行控制；采用恒压脉冲法时，电压范围为
‑
2～2V，循环圈数为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张庆华，王珺，詹晓力，任勇源，刘权，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：