一种三维球形氧化锌制造技术

本发明专利技术公开了一种三维球形氧化锌

【技术实现步骤摘要】
一种三维球形氧化锌@锌复合锌负极及其制备方法、碱性锌空气电池和碱性镍锌电池


[0001]本专利技术属于电池
，具体涉及一种三维球形氧化锌
@
锌复合锌负极及其制备方法
、
碱性锌空气电池和碱性镍锌电池
。

技术介绍

[0002]可充电锌基电池由于锌的成本低，安全性高，理论容量高，被认为是极具前景的储能设备，可以与锂离子电池竞争
。
与使用中性电解液的锌基电池相比，碱性锌电池
(AZBs)
提供了更高的负极电位和容量
。
然而，锌负极在碱性电解质中的可充电性受到锌
(Zn)
和氧化锌
(ZnO)
之间热力学不稳定转变的挑战
。
此外，锌负极还面临着枝晶生长
、
副反应
、
腐蚀
、
钝化和体积变化等问题，这不可避免地导致库仑效率低
、
锌利用率不足和循环稳定性差
。
[0003]为了解决上述问题，一个有效的方法是在锌负极的表面涂上一层人工保护层
(
氧化钛
、
氧化锌
、
碳
)
，这会减少锌的溶解，抑制副反应，并增强离子传输，调节
Zn
和
ZnO
的转变
。
然而，只有在低电流密度
/
容量下采用过量的锌才能实现良好的循环稳定性
。
另一种可行的方法是构建三维连续锌泡沫，因为长程导电性有利于锌的可逆溶解和沉积，中空的结构可以限制形状的变化
。
例如，通过煅烧
‑
电还原方法制备的三维线状锌海绵，其在镍锌
、
银锌和锌空气电池中均实现了高比容量和体积容量
。
尽管已经取得了较大的性能改善，但其放电深度
(DOD)
一般较低，同时实现长循环寿命和高的锌利用率仍然是一个挑战
。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种三维球形氧化锌
@
锌复合锌负极及其制备方法和碱性锌基电池，以解决目前碱性锌基电池在高电流密度
/
容量条件下，无法同时实现长循环寿命和高的锌利用率的问题
。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供一种三维球形氧化锌
@
锌复合锌负极的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：
[0006]S1、
配制锌粉油墨；
[0007]S2、
设计三维结构，在基板上将步骤
S1
得到的锌粉油墨通过
3D
挤出打印的方式得到结构样品；
[0008]S3、
将步骤
S2
得到的结构样品进行烧结得到三维球形氧化锌
@
锌复合锌负极
。
[0009]作为优选，所述步骤
S1
中，锌粉油墨包括如下成分：粘度调节剂
、
去离子水
、
锌粉
、
铟粉和铋粉，且所述粘度调节剂
、
去离子水
、
锌粉
、
铟粉和铋粉的质量比为
1.67
：5：
18
：
0.00002:0.00002。
[0010]作为优选，所述粘度调节剂选自普朗尼克
F127
，聚乙烯醇，聚环氧乙烷
‑
聚环氧丙烷
‑
聚环氧乙烷三嵌段共聚物中的一种
。
[0011]作为优选，所述步骤
S2
中，
3D
挤出打印的参数如下：注射器的大小为
5mL
，锌粉油墨的静置时间为
30min
，打印时间为2‑
3min。
[0012]作为优选，所述步骤
S3
中，所述烧结为二段烧结，且参数如下：烧结气氛为空气，第一段的烧结温度为
300
‑
500℃
，升温速率为
5℃/min
，保温时间为
6h
，第二段烧结温度是
600℃
，升温速率为
1℃/min
，保温时间为
1h。
[0013]本专利技术的第二个目的在于提供一种三维球形氧化锌
@
锌复合锌负极，由上述制备方法制得
。
[0014]本专利技术的第三个目的在于提供一种碱性锌空气电池，包括三维球形氧化锌
@
锌复合锌负极
。
[0015]作为优选，还包括电池正极和电解质，所述电池正极为负载铂
/
碳催化剂的碳布，所述电解质为醋酸锌和氢氧化钾的混合溶液
。
[0016]本专利技术的第四个目的在于提供一种碱性镍锌电池，包括三维球形氧化锌
@
锌复合锌负极
。
[0017]作为优选，还包括集流体
、
电池正极
、
电解质和壳体，所述集流体的材料为锡和镍，所述电解质为氢氧化锂
、
氢氧化钾和氢氧化钙的混合溶液，所述壳体的材料为聚甲基丙烯酸甲酯
。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：
[0019]1、
本专利技术提供一种利用柯肯达尔效应原位形成的外层氧化锌壳
、
内层中空的三维双连续锌电极，该电极集刚性保护氧化锌层
、
长程连续锌网络和中空结构于一体，可在高放电深度下获得稳定的碱性锌基电池
。
保护性氧化锌外壳可适应形状变化并抑制副反应的发生和电极腐蚀，中空结构提供了较大的空隙容积以适应形状变化，连续的锌网络确保了长程导电性和整个电极的均匀电场分布；
[0020]2、
本专利技术采用
3D
打印技术，赋予了电极可定制的结构设计，电极的尺寸和厚度均可以精确设计，制备方法简单
、
快捷，有利于大规模生产；
[0021]3、
本专利技术采用锌粉作为原料，原料成本低廉，后续处理在空气中进行，成本低廉；
[0022]4、
本专利技术的碱性锌基电池镍锌电池和锌空气电池，均表现出高的锌利用率的同时实现优异的容量和循环性能
。
附图说明
[0023]图1为本专利技术实施例1制得的三维球形氧化锌
@
锌复合锌负极的实物图；
[0024]图2为本专利技术实施例1制得的三维球形氧化锌
@
锌复合锌负极的电镜扫描图和元素分布图；
[0025]图3为本专利技术实施例1制得的三维球形氧化锌
@
锌复合锌负极截面的电镜扫描图和元素分布图；
具体实施方式
[0026]为使本专利技术的上述目的
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种三维球形氧化锌
@
锌复合锌负极的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括如下步骤：
S1、
配制锌粉油墨；
S2、
设计三维结构，在基板上将步骤
S1
得到的锌粉油墨通过
3D
挤出打印的方式得到结构样品；
S3、
将步骤
S2
得到的结构样品进行烧结得到三维球形氧化锌
@
锌复合锌负极
。2.
如权利要求1所述的三维球形氧化锌
@
锌复合锌负极的制备方法，其特征在于，所述步骤
S1
中，锌粉油墨包括如下成分：粘度调节剂
、
去离子水
、
锌粉
、
铟粉和铋粉，且所述粘度调节剂
、
去离子水
、
锌粉
、
铟粉和铋粉的质量比为
1.67
：5：
18
：
0.00002:0.00002。3.
如权利要求2所述的三维球形氧化锌
@
锌复合锌负极的制备方法，其特征在于，所述粘度调节剂选自普朗尼克
F127
，聚乙烯醇，聚环氧乙烷
‑
聚环氧丙烷
‑
聚环氧乙烷三嵌段共聚物中的一种
。4.
如权利要求1所述的三维球形氧化锌
@
锌复合锌负极的制备方法，其特征在于，所述步骤
S2
中，
3D
挤出打印的参数如下：注射器的大小为...

【专利技术属性】
技术研发人员：官操，杜俊杰，王宇轩，徐茜，
申请(专利权)人：西北工业大学宁波研究院，
类型：发明
国别省市：