【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电化学储能材料的制备，具体涉及一种基于三维掺磷自支撑材料在水系锌电池中的应用。
技术介绍
1、随着能源需求的不断增加和环境污染的进一步加剧，近年来，可再生清洁能源的研究迅速发展。然而，合理、高效地储存和利用可再生能源仍然是一个挑战。在现有的储能技术中，电池能够将化学能可逆地转化为电能，具有功率和能量密度高、成本低、制造工艺简单、循环寿命长等优点，被认为是最有前途和最高效的储能技术。与其他电池技术相比，锂离子电池具有更长的寿命和更高的能量密度，近年来已成为电能存储系统的领导者。然而，锂金属的价格及相关的安全问题严重限制其未来发展。锌离子电池因其高元素丰度、低毒性、更高的理论容量(820mah g-1)、更低的氧化还原电位(-0.763v vs标准氢电位)和更高的安全系数引起了人们的广泛关注。
2、众所周知，作为锌离子电池的一个组成部分，负极对电池的性能和寿命尤为重要。在电镀和剥离过程中，电荷分布不均匀和副反应(腐蚀和析氢)会引起枝晶的形成，枝晶生长会导致锌负极的容量和库仑效率降低，较大的枝晶甚至会刺穿隔膜，造成短路。此外，析氢和腐蚀过程中电解液的不可逆消耗会影响锌离子电池的长期循环性能，产生的氢气增加了电池分裂和电解液泄漏的风险。因此，对锌负极开展深入的研究和优化对锌离子电池的实用化至关重要。
3、负极材料合理的结构设计和组分调控可以有效地解决枝晶问题。基底的三维结构有助于扩大电极的比表面积，降低局部电流，从而有效抑制枝晶生长。此外，改变基底的组分可以改善负极与电解质之间的亲和力，降低成核电位
技术实现思路
1、本专利技术目的在于，提供三维掺磷自支撑材料在水系锌电池中的应用，该三维掺磷自支撑材料cc-a@znp材料性能优异、成本廉价、绿色环保，适合大规模生产，制备工艺过程简单，应用于锌离子电池/锌空气电池长循环寿命、高安全性的能源材料中。本专利技术的三维掺磷自支撑材料cc-a@znp材料有效抑制了循环过程中锌金属与电解液发生的析氢和腐蚀，降低了材料阻抗，减少锌枝晶的产生，提高了电池的稳定性与安全性。
2、三维金属基底抑制析氢腐蚀的效果较差，其中泡沫铜的析氢现象较为严重，弱于传统锌片，具有安全隐患，不符合电极的产业化要求。相比之下，碳布在具备大比表面积的同时，还有抑制析氢腐蚀、柔韧性更佳、价格更低廉等优点，是更理想的基底材料。经过预处理的亲水碳布加上小电流一步沉积znp镀层可以得到形貌更均匀平整，性能更稳定的负极材料。
3、为了解决本专利技术的技术问题，提出的技术方案为：所述三维掺磷自支撑材料在水系锌电池中的应用，所述三维掺磷自支撑材料的制备方法如下：选用碳布作为基底进行预处理，将碳布置于石英舟中，在200～400℃的条件下空烧3～5h，后用浓硝酸在25～110℃的条件下水热酸化3～6h，活化后用去离子水和乙醇洗涤三次，活化后的碳布命名为cc-a；
4、将七水硫酸锌，磷酸二氢钠，硼酸，硫酸钠，氯化钠，乙二胺四乙酸二钠溶解于去离子水中作为电解质备用；
5、用砂纸打磨锌箔清除表面杂质，超声清洗后用乙醇洗涤并晾干待用；
6、以cc-a为正极，锌箔为负极，用电池壳组装扣式电池，在静置4～12h后以1ma cm-2的电流密度进行恒电流沉积10h，沉积结束后用去离子水对正极材料进行冲洗，真空干燥得到沉积量为0.5～25mah cm-2的三维掺磷自支撑材料cc-a@znp；
7、所述三维掺磷自支撑材料cc-a@znp材料可作为锌离子电池负极材料或锌空气电池负极材料。
8、优选的，选用碳布作为基底进行预处理，活化后的碳布命名为cc-a。将碳布置于石英舟中，在350℃的条件下空烧4h，后用浓硝酸在110℃的条件下水热酸化6h，活化后用去离子水和乙醇洗涤三次，裁剪成10mm×10mm的大小晾干待用；
9、将11.502g七水硫酸锌，1.199g磷酸二氢钠，0.495g硼酸，3.977g硫酸钠，1.987g氯化钠，0.175g乙二胺四乙酸二钠溶解于100ml去离子水中作为电解质备用；
10、用砂纸打磨锌箔清除表面杂质，超声清洗后用乙醇洗涤三次并晾干待用；
11、以cc-a为正极，锌箔为负极，用cr2032电池壳组装扣式电池，在静置6h后以1macm-2的电流密度进行恒电流沉积10h，沉积结束后用去离子水对正极材料进行冲洗，真空干燥得到沉积量为10mah cm-2的三维掺磷自支撑材料cc-a@znp；
12、所述三维掺磷自支撑材料cc-a@znp材料可作为锌离子对称电池电极材料，步骤如下：所述三维掺磷自支撑材料cc-a@znp材料作为正负极，2m硫酸锌为电解液，以玻璃纤维作为隔膜，在室温下组装扣式电池，将组装好的电池在电池测试柜上进行性能测试；
13、所述三维掺磷自支撑材料cc-a@znp材料可作为锌离子电池负极材料，步骤如下：所述三维掺磷自支撑材料cc-a@znp材料作为负极，mno2为正极，2m硫酸锌为电解液，在空气条件下组装锌离子电池。将组装好的电池在电池测试柜上进行性能测试；
14、所述三维掺磷自支撑材料cc-a@znp材料可作为锌空气电池负极材料，步骤如下：所述三维掺磷自支撑材料cc-a@znp材料作为负极，负载氧还原/氧析出催化剂的疏水碳纸为正极，6m氢氧化钾和2m氯化锌作为电解液，在空气条件下组装锌空气电池。将组装好的电池在电池测试柜上进行性能测试。
15、优选的，通过扫描电镜可以观测到经过空烧酸化处理后的碳布表面在去除表面杂质的同时形成了多孔结构，增加了碳布的亲水性，沉积后碳布表面形成了均匀的球形颗粒状znp镀层。
16、优选的，以cc-a@znp作为工作电极，铂片作为对电极，氯化银作为参比电极，电解液为2m硫酸锌水溶液，用chi660e型电化学工作站记录数据，lsv曲线显示，在5ma cm-2下，cc-a@znp的析氢电位为-1.45v，tafel曲线显示，cc-a@znp的腐蚀电位为-0.95v，腐蚀电流密度为-2.70ma cm-2，从测试结果可以看出cc-a@znp的抑制析氢和抗腐蚀性能要明显优于纯锌箔，三维掺磷自支撑材料对锌枝晶的抑制作用。
17、优选的，将cc-a@znp作为水系锌离子电池的正负极，2m硫酸锌水溶液作为电解液，玻璃纤维(gf-d)作为隔膜，用cr2032电池壳在室温下组装成锌离子电池，将组装好的电池在多通道电化学工作站(biologic vsp-300)上进行阻抗测试，使用cc-a@znp作为电极组装的对称电池阻抗为15ω；将组装好的电池在电池测试柜(深圳新威ct-4008)上进行长循环测试，cc-a@znp组装的对称电池在1ma cm-2，1mah cm-2的条件下实现了超过250h的稳定循环，cc-a本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种三维掺磷自支撑材料在水系锌电池中的应用，其特征在于，所述三维掺磷自支撑材料的制备方法如下：
2.根据权利要求1所述的三维掺磷自支撑材料在水系锌电池中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的三维掺磷自支撑材料在水系锌电池中的应用，其特征在于：通过扫描电镜可以观测到经过空烧酸化处理后的碳布表面在去除表面杂质的同时形成了多孔结构，增加了碳布的亲水性，沉积后碳布表面形成了均匀的球形颗粒状ZnP镀层。
4.根据权利要求1所述的三维掺磷自支撑材料在水系锌电池中的应用，其特征在于：以CC-A@ZnP作为工作电极，铂片作为对电极，氯化银作为参比电极，电解液为2M硫酸锌水溶液，用CHI660E型电化学工作站记录数据，LSV曲线显示，在5mAcm-2下，CC-A@ZnP的析氢电位为-1.45V，TAFEL曲线显示，CC-A@ZnP的腐蚀电位为-0.95V，腐蚀电流密度为-2.70mAcm-2，从测试结果可以看出CC-A@ZnP的抑制析氢和抗腐蚀性能要明显优于纯锌箔，三维掺磷自支撑材料对锌枝晶的抑制作用。
5.根据权利要求1所
...【技术特征摘要】
1.一种三维掺磷自支撑材料在水系锌电池中的应用，其特征在于，所述三维掺磷自支撑材料的制备方法如下：
2.根据权利要求1所述的三维掺磷自支撑材料在水系锌电池中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的三维掺磷自支撑材料在水系锌电池中的应用，其特征在于：通过扫描电镜可以观测到经过空烧酸化处理后的碳布表面在去除表面杂质的同时形成了多孔结构，增加了碳布的亲水性，沉积后碳布表面形成了均匀的球形颗粒状znp镀层。
4.根据权利要求1所述的三维掺磷自支撑材料在水系锌电池中的应用，其特征在于：以cc-a@znp作为工作电极，铂片作为对电极，氯化银作为参比电极，电解液为2m硫酸锌水溶液，用chi660e型电化学工作站记录数据，lsv曲线显示，在5macm-2下，cc-a@znp的析氢电位为-1.45v，tafel曲线显示，cc-a@znp的腐蚀电位为-0....
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