一种钇稳定氧化锆保护的锌离子电池负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及新能源材料技术领域，具体涉及一种钇稳定氧化锆保护的锌离子电池负极材料及其制备方法

【技术实现步骤摘要】
一种钇稳定氧化锆保护的锌离子电池负极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于新能源材料
，具体涉及一种钇稳定氧化锆
(
以下简称
YSZ)
保护的锌离子电池负极材料
。

技术介绍

[0002]水系锌离子电池作为一种新型的储能设备，由于其具有成本低，安全性高，对环境友好等的优点，近些年来成为电池研究领域的热点
。
锌金属具有较高的理论质量容量和体积容量
(820mAh/g
和
5855mAh/cm3)
以及较低的氧化还原电位，在自然界中具有储量丰富等优势，锌离子电池有望成为继锂离子电池后的下一代二次电池
。
经过前人近几十年的探索，锌离子电池正极材料的电化学性能已经得到了很大的提高，但是对于负极材料的反应机理至今没有明确解释，负极材料的应用实际上处于初级阶段，严重阻碍锌离子电池商业化的进程
。
目前锌负极主要面临的主要问题是锌枝晶，析氢和腐蚀
。
锌金属面临的这些问题不是孤立的，而是具有相互作用，锌枝晶会不断地沿隔膜生长而刺穿隔膜导致电池发生短路；锌表面的副反应会因为锌枝晶的产生而加剧，同时副反应的产生还会增加锌负极的表面粗糙度，促进锌枝晶的生长
。
通过在锌负极表面均匀的涂覆人工保护层可以延缓枝晶的生长以及副反应的发生，从而可以实现高可逆的锌阳极，对于提高锌离子电池的寿命具有显著作用
。
[0003]氧化锆是一种
p
‑/>型半导体材料，其熔点和沸点高，热膨胀系数大，抗腐蚀性强，化学稳定性非常好
。
纳米氧化锆具有高比表面积和丰富的表面缺陷，具有弱酸
、
弱碱性和氧化还原性，易于产生氧空位，广泛应用于能源
、
环境
、
材料等领域
。
近年来氧化锆被发现可以作为锌负极的表面改性层，
Liang P,Yi J,Liu X,et al.Highly Reversible Zn Anode Enabled by Controllable Formation of Nucleation Sites for Zn
‑
Based Batteries[J].Advanced Functional Materials,2020,30(13).
报道了一种单斜相氧化锆保护层用于提高锌负极的寿命和循环稳定性，其组装的
Zn//Zn
对称电池在
0.25mA/cm2的电流密度
、0.125mAh/cm2的容量密度下循环寿命达到
3800h。Liu Y,Guo T,Liu Q,et al.Ultrathin ZrO
2 coating layer regulates Zn deposition and raises long
‑
life performance of aqueous Zn batteries[J].Materials Today Energy,2022,28.
报道了一种利用原子层沉积技术
(ALD)
在锌负极表面沉积一层超薄无定型氧化锆保护层，当涂层厚度为
40nm
时表现出优异的循环性能，其组装的
Zn//Zn
对称电池在
1mA/cm2的电流密度
、0.5mAh/cm2的容量密度下循环寿命达到
1760h。
[0004]以上两篇文献中所报道的锌负极保护层为单斜或无定型的纯相氧化锆，主要原理是利用单斜或无定型的纯相氧化锆具有介电常数高和离子电导率低的特点，实现了
Zn
2+
的均匀沉积，达到提高锌负极的使用寿命
。
[0005]本专利技术使用的
YSZ
，由于
Y
和
Zr
化学性质相似，
Y
以
Y
3+
形式存在，作为受主，它的填满受主态是
Y
3+
，每两个
Y
原子产生一个
O
空位
。O2‑
和
O
空位互换位置在晶体内移动，且
O2‑
迁移速率较快，因此
YSZ
具有较高的离子电导率
。
利用高离子电导率的
YSZ
作为锌负极保护层，可以
使
Zn
2+
快速的通过表面扩散，诱导
Zn
2+
的迁移和均匀沉积，从而有效抑制锌枝晶的形成和副反应的发生，对于提高锌负极的循环稳定性和循环寿命具有显著作用
。
[0006]本专利技术提供的
YSZ
作为锌负极保护层，在组装的对称电池中以电流密度为
0.25mA/cm2、
容量密度为
0.125mAh/cm2的条件下，循环寿命达到
4300h
，具有更好的循环稳定性和循环寿命
。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种
YSZ
保护的锌离子电池负极材料，以抑制锌负极在循环过程中的锌枝晶及副反应，提高锌负极的循环稳定性和循环寿命
。
[0008]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案实现：负极材料是由钇稳定氧化锆为主要成分的保护层与锌箔构成；保护层中钇稳定氧化锆粉体的晶体结构为四方相，粒径大小为
20
‑
30nm
，掺杂钇的含量为
8mol
％；保护层的成分为钇稳定氧化锆粉体与聚偏氟乙烯粘接剂，钇稳定氧化锆粉体与聚偏氟乙烯粘结剂按的重量比
9:1
，保护层厚度为5‑
10
μ
m
，锌箔厚度为
0.1mm。
该锌离子电池负极材料制备方法，其步骤如下：
[0009](1)
将锌箔依次使用
800C、1000C、1500C、2000C
型号的砂纸打磨一遍，随后用丙酮和乙醇将打磨后的锌箔各清洗一遍
。
[0010](2)
将
2.7g YSZ
与
0.3g
聚偏氟乙烯粘结剂按照重量比
9:1
研磨混合后加入
3mL
氮
‑
甲基吡咯烷酮，将所得混合物转移至球磨机中，在球料比为
10:1
的条件下以转速
400
‑
450rmp
球磨6‑
8h
，得到浆料
。
[0011](3)
控制刮刀厚度为5‑
10
μ
m
，将浆料均匀涂覆在步骤
(1)
的锌箔上，在温度
80
‑
85℃、
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种钇稳定氧化锆保护的锌离子电池负极材料，其特征在于：所述负极材料是由钇稳定氧化锆为主要成分的保护层与锌箔构成
。2.
根据权利要求1所述的钇稳定氧化锆保护的锌离子电池负极材料，其特征在于：所述的保护层中钇稳定氧化锆粉体的晶体结构为四方相，粒径大小为
20
‑
30nm
，掺杂钇的含量为
8mol
％
。3.
根据权利要求1所述的钇稳定氧化锆保护的锌离子电池负极材料，其特征在于：所述保护层的成分为钇稳定氧化锆粉体与聚偏氟乙烯粘接剂，钇稳定氧化锆粉体与聚偏氟乙烯粘结剂的重量比
9:1
，保护层厚度为5‑
10
μ
m
；所述的锌箔厚度为
0.1mm。4.
根据权利要求1所述的钇稳定氧化锆保护的锌离子电池负极材料，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
(1)
将锌箔依次使用
800C、1000C、1500C、2000C
型号的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李峻峰，陈可立，刘国珍，范毅，罗雁曦，吴昊南，赵敏，朱俊吉，赖雪飞，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：