一种用于水系锌电池的介孔碳限域醚类有机正极活性材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于锌电池正极材料技术领域，公开了一种用于水系锌电池的介孔碳限域醚类有机正极活性材料及其制备方法和应用。该正极活性材料是将醚类有机材料和介孔碳材料进行研磨混合，得到的混合材料进行高能湿法球磨制得悬浮液；将该悬浮液进行离心和冷冻干燥，得到混合均匀的粉末材料，将其真空封存在石英管中在70～100℃加热熔融制得。该材料导电性良好，比容量高，循环寿命达12000次以上，且具有高于大多数有机正极活性材料的工作电压，并展现出了远优于常规水系锌有机电池的能量密度。本发明专利技术的制备方法简单易行、反应温和可控，所得高性能正极活性材料可宏量制备，因而具有重要的实用价值。用价值。用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种用于水系锌电池的介孔碳限域醚类有机正极活性材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锌电池正极材料
，具体地，涉及一种用于水系锌电池的介孔碳限域醚类有机正极活性材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]传统化石能源储量有限，且其持续消耗不仅造成了严重的环境污染，还释放了大量的温室气体，极大地破坏了地球生态系统平衡。借助新型电化学储能技术将可再生能源(如风能、太阳能、潮汐能、生物能等)并网发电，是国家调整能源结构，实现“双碳”目标的战略性举措。众多储能技术中，水系锌电池具有低成本、高安全、环境友好等特点，在平衡智能电网削峰填谷方面优势突出，且在低速电动汽车、柔性可穿戴器件及便携式器件等领域也展现了广阔的应用前景。因此，开发高性能的水系可充锌电池具有重要的战略意义。
[0003]当前水系锌电池正普遍面临能量密度不够高、循环寿命亟待提升的关键挑战。开发高性能储锌正极材料是提升水系锌电池电化学性能至关重要的一环。迄今，各种水系锌电池正极材料相继被报道，如过渡金属氧化物或硫化物、普鲁士蓝类似物、聚阴离子化合物和有机化合物等。其中，有机正极材料具有绿色可持续、成本低廉、结构可灵活设计等优势，受到广泛关注。目前，尽管一些有机水系储锌正极材料初步展现了良好的可行性，包括n型有机分子如有机羰基化合物、亚胺化合物、导电聚合物、自由基聚合物等其活性官能团一般为
‑
C＝O、
‑
OH或N
‑
O
·
。在电化学反应中，此类n型有机分子容易接受电子，形成带负电的状态，因而难以取得高电压平台(<0.8V,Zn
2+
/Zn)和高容量，限制了水系锌
‑
有机电池的整体能量密度和其实际应用。
[0004]相比之下，p型有机材料活性官能团可在充电过程中失去电子被激活为带正电状态，具有相对较高的氧化还原电位(>1V vs Zn
2+
/Zn)，并实现活性位阴离子/锌离子共储存。截至目前，只有少数具有阴离子吸附性的p型材料可作为水系锌电池的正极(如亚硝基氮氧化物、三苯胺衍生物、有机硫聚合物等)，且由于其氧化还原电位相对较高(>0.8V vs.Zn/Zn
2+
)，常导致材料结构不稳定、循环性能较差、活性物溶解严重。
[0005]因此，开发高电压、高稳定的新型p型有机电极活性材料具有重要的现实意义和应用前景。与以往的p型材料相比，醚类有机小分子结构更为稳定，具有较为温和的本征氧化还原电位，有利于获得的更好的水系锌电池性能，但至今还未曾被报道。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，首要目的在于提供一种介孔碳限域醚类有机材料正极材料。
[0007]本专利技术的另一目的在于提供上述介孔碳限域醚类有机材料正极材料的制备方法。
[0008]本专利技术的再一目的在于提供上述介孔碳限域醚类有机材料正极材料的应用。基于该正极材料制备获得高性能水系锌电池，解决了现有技术中水系锌
‑
有机电池电压低、循环
性能差、容量低的问题。
[0009]本专利技术的目的通过下述技术方案来实现：
[0010]一种用于水系锌电池的介孔碳限域醚类有机正极活性材料，所述介孔碳限域醚类有机正极活性材料是将醚类有机材料和介孔碳材料进行研磨混合，得到的混合材料进行高能湿法球磨制得悬浮液；将该悬浮液进行离心和冷冻干燥，得到混合均匀的粉末材料，将其真空封存在石英管中在70～100℃加热熔融制得。
[0011]优选地，所述的醚类有机材料为二苯基二硒醚(PDSe)、二苯基二硫醚(PDS)或二苯基二碲醚(PDTe)；所述的醚类有机材料和介孔碳的质量比为(5～7):(3～5)。
[0012]所述的用于水系锌电池的介孔碳限域醚类有机正极活性材料的制备方法，其包括以下步骤：
[0013]S1.将醚类有机材料和介孔碳材料进行研磨混合，得到的混合材料进行高能湿法球磨，制得悬浮液；
[0014]S2.将悬浮液进行离心和冷冻干燥，得到混合均匀的粉末材料，将其真空封存在石英管中在70～100℃加热熔融，得到介孔碳限域醚类有机正极活性材料。
[0015]优选地，步骤S1中所述高能湿法球磨的转速为500～600rpm，球磨的时间为2～4h。
[0016]优选地，步骤S2中所述冷冻干燥的温度为
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70～
‑
50℃，所述冷冻干燥的时间为24～48h；所述加热熔融的时间为12～24h。
[0017]一种水系锌电池用介孔碳限域醚类有机正极材料，所述正极材料包括导电碳、粘结剂和所述的介孔碳限域醚类有机正极活性材料。
[0018]优选地，所述的导电碳的含量为10～15％；所述的粘结剂的含量为10～15％；所述的介孔碳限域醚类有机正极活性材料的含量为70～80％。
[0019]一种电池正极，所述电池正极包括集流体和复合在其表面的所述的有机正极材料。
[0020]一种高性能水系锌电池，其包括正极、负极和电解液，所述正极为所述的电池正极，所述负极为锌片，所述电解液为锌盐电解液。
[0021]优选地，所述的锌盐电解液的浓度为1～3mol/L，锌盐电解液中的锌盐为三氟甲烷磺酸锌(Zn(CF3SO3)2)，电解液溶剂为体积占比25％聚乙二醇和75％去离子水。聚乙二醇优选为PEG
‑
600。
[0022]本专利技术的高性能水系锌电池包括导电碳、粘结剂以及介孔碳限域醚类有机正极活性材料。所述的导电碳可为水系锌电池领域技术人员所能获知的任意具有导电性能的碳材料，优选为导电炭黑(Super
‑
P)。粘结剂可为水系锌电池领域技术人员所能获知的任意将导电碳以及活性材料粘附且复合在集流体上的任意物料，优选为聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素等。导电碳在正极材料中的含量优选为10～15％，粘结剂在正极材料中的含量优选为10～15％，而正极活性材料的优选含量为70～80％。本专利技术的正极材料的制备方法，通过导电碳、粘结剂和正极活性材料混合得到。
[0023]本专利技术的水系锌电池正极包括集流体以及复合在其表面的所述的正极材料。将正极活性材料、导电碳和粘结剂用溶剂溶解浆化得浆液，随后涂覆在集流体上，真空干燥即得。溶剂为可以溶解粘结剂的溶剂。集流体可以为水性锌电池领域技术人员所能认知的任意集流体，优选为石墨纸。本专利技术的浆液的制备、涂片等工艺均可采用行业内常用方法。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0025]1.本专利技术制备的高性能水系锌电池用介孔碳限域醚类有机正极活性材料，采用高能球磨法可将尺寸较大的醚类有机活性材料颗粒细化，随后通过熔融法将其限域在CMK
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3的有序介孔孔道中，可提高醚类有机材料长循环稳定性并减缓常见的有机材料溶解问题，同时大幅改善醚类有机材料导电性较差的缺陷，提高有机材料电接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于水系锌电池的介孔碳限域醚类有机正极活性材料，其特征在于，所述介孔碳限域醚类有机正极活性材料是将醚类有机材料和介孔碳材料进行研磨混合，得到的混合材料进行高能湿法球磨制得悬浮液；将该悬浮液进行离心和冷冻干燥，得到混合均匀的粉末材料，将其真空封存在石英管中在70～100℃加热熔融制得。2.根据权利要求1所述的用于水系锌电池的介孔碳限域醚类有机正极活性材料，其特征在于，所述的醚类有机材料为二苯基二硒醚、二苯基二硫醚或二苯基二碲醚；所述的醚类有机材料和介孔碳的质量比为(5～7):(3～5)。3.根据权利要求1或2所述的用于水系锌电池的介孔碳限域醚类有机正极活性材料的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：S1.将醚类有机材料和介孔碳材料进行研磨混合，得到的混合材料进行高能湿法球磨，制得悬浮液；S2.将悬浮液进行离心和冷冻干燥，得到混合均匀的粉末材料，将其真空封存在石英管中在70～100℃加热熔融，得到介孔碳限域醚类有机正极活性材料。4.根据权利要求3所述的用于水系锌电池的介孔碳限域醚类有机正极活性材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述高能湿法球磨的转速为500～600rpm，球磨的时间为2～4h。5.根据权利要求3所述的用...

【专利技术属性】
技术研发人员：李成超，颜建萍，王博，唐永超，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：