【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于二次电池，具体涉及一种碳包覆磷酸钛钠螯合锌负极材料及其制备与应用。
技术介绍
1、随着化石、煤炭等不可再生资源的日益枯竭，环境污染的加剧，为了解决能源与环境问题，新能源的发展和应用得到政策的支持和市场的开拓。锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长、兼容效果好等优势得到广泛应用，无论是动力领域还是储能领域，都可以看到锂离子电池的存在，但是锂离子电池也有诸多缺点，一是锂资源的严重不足导致电池价格一路走高，二是有机电解液的使用导致锂离子电池安全性能备受争议，储能电站热失控导致的起火事件备受诟病。
2、相对于剧毒易燃的有机电解质，水系电解质解决了以上问题，另外水系电解质具有更高的离子电导率，提高了电池的倍率性能。水系电池应用在储能领域，可以达到本质安全和避免起火，无需对电站进行冷却处理，大大降低运营成本。但是水系电池能量密度较低，存在负极材料耐水性较差等问题，因此提高负极材料的比容量和稳定性至关重要。超钠离子快速导体型nati2(po4)3因其高的na+电导率、稳定的结构、非常平坦的充放电平稳期，成为极具竞争力的钠离子电池负极材料。但是，nati2(po4)3材料存在导电性能差和比容量低的缺点，从而导致差的倍率性能和容量性能；金属锌具有低成本、高理论容量(820mah/g)、环境友好等优点，但是其作为负极在水系电池中存在枝晶、析氢等问题，因此将nati2(po4)3和锌负极优点进行复合，开发一种高容量、寿命长、导电性好的负极材料，进而构建高性能的水系离子电池。
技术实现思路p>
1、针对以上技术的不足，本专利技术提供碳包覆磷酸钛钠螯合锌负极材料及其制备方法，提供一种碳包覆性好、导电性能优异、高比容量和高稳定性的负极材料，将其应用在水系电池，大大提升了电池性能。
2、为实现以上目的，本专利技术提供的技术方案是：
3、一种碳包覆磷酸钛钠螯合锌负极材料，所述负极材料为碳包覆磷酸钛钠包裹螯合在单质锌表面，形似核壳结构，粒径为1200-3000nm。
4、作为本专利技术的优选方案，负极材料中碳的质量百分比为5％-30％，表面呈亲水性。
5、作为本专利技术的优选方案，所述单质锌为锌粉，锌粉的粒径为500-1500nm，占负极材料总质量的5％-40％。
6、本专利技术还提供上述碳包覆磷酸钛钠螯合锌负极材料的制备方法，包括如下步骤：
7、(1)将钠源、钛源、磷酸盐按元素摩尔比1.05：2：3与可溶性碳源、分散剂一并加入去离子水中，使用砂磨机进行混合4-8h；
8、(2)将混合后得到的浆料进行喷雾干燥，得到磷酸钛钠前驱体，在氮气中高温烧结，烧结温度700-850℃，烧结时间为5-12h；
9、(3)将烧结好的碳包覆磷酸钛钠进行200目筛网筛离，将小于200目的粉料作为靶材，使用pvd真空溅射法将其沉积包裹在单质锌粉表面；
10、(4)将上述碳包覆磷酸钛钠包裹锌粉的材料与无机碳材料按质量比(80-95):(5-20)进行干法混合后，在氮气中进行二次高温烧结，烧结温度为600-750℃，烧结1-4h；
11、(5)将烧结好的材料加入螯合剂水研磨40-100min，最终得到碳包覆磷酸钛钠螯合锌负极材料。
12、作为本专利技术的优选方案，所述钠源为碳酸钠、磷酸钠、乙酸钠、氢氧化钠、碳酸氢钠中的一种；所述钛源为二氧化钛、偏钛酸、钛酸乙酯中的一种；所述磷酸盐为磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢钠中的一种。
13、作为本专利技术的优选方案，所述可溶性碳源为蔗糖、葡萄糖、壳聚糖、聚乙二醇、柠檬酸、海藻酸钠中的一种或多种；所述分散剂为丙烯酸酯、聚乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮、纤维素钠、聚丙烯酰胺中的一种或多种。
14、作为本专利技术的优选方案，所述浆料固含量质量百分比为15-30％，其中可溶性碳源占比为1-10％；分散剂占比为0.1-3％。
15、作为本专利技术的优选方案，所述喷雾干燥过程，进风口温度为180-200℃，出风温度为100-115℃，离心转速为15000-60000r/min。
16、作为本专利技术的优选方案，所述真空溅射基体温度150-300℃，溅射时间700-1000s，环境压力100-170pa，锌外层包裹层厚度300-700nm。
17、作为本专利技术的优选方案，所述无机碳材料为石墨、导电炭黑、活性炭、碳纤维、石墨烯、碳纳米管中的一种或多种；所述螯合剂为含有n、s配位原子，能够与zn2+发生螯合反应形成络合物，添加量为总量的0.5-5％；更优选的，所述螯合剂为硫脲、亚硫酸酯、硫醚、聚乙烯吡咯、二烃基二硫代磷酸的铵盐、三硫聚磷酸钠中的一种或多种。
18、作为本专利技术的优选方案，所述干法混合的转速为100-500r/min，混合时间1-6h。
19、本专利技术还提供上述碳包覆磷酸钛钠螯合锌负极材料在水系电池中的应用；尤其在水系钠离子电池、水系锌离子电池中的应用。
20、本专利技术的有益效果：本专利技术首先合成了结构稳定、导电优异的碳包覆磷酸钛钠材料，利用pvd真空溅射法将碳包覆磷酸钛钠紧密包裹在锌粉表面，然后经过二次烧结进一步包覆无机碳源，使该材料具有优异的导电性能，高稳定结构磷酸钛钠发挥容量的同时，可以对锌粉形成保护层，避免锌负极与水直接接触，使锌负极稳定的发挥高容量并且抑制枝晶产生，大大提高负极的容量性能和稳定性能。本专利技术还使用螯合剂的可以与zn2+形成络合物，避免放电过程该负极zn2+进入电解液中造成容量衰减，提高电池循环寿命。
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1.一种碳包覆磷酸钛钠螯合锌负极材料，其特征在于，所述负极材料为碳包覆磷酸钛钠包裹螯合在单质锌表面，形似核壳结构，粒径为1200-3000nm。
2.根据权利要求1所述的一种碳包覆磷酸钛钠螯合锌负极材料，其特征在于，所述负极材料中碳的质量百分比为5％-30％，表面呈亲水性；所述单质锌为锌粉，锌粉的粒径为500-1500nm，占负极材料总质量的5％-40％。
3.根据权利要求1或2所述的一种碳包覆磷酸钛钠螯合锌负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述钠源为碳酸钠、磷酸钠、乙酸钠、氢氧化钠、碳酸氢钠中的一种；所述钛源为二氧化钛、偏钛酸、钛酸乙酯中的一种；所述磷酸盐为磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢钠中的一种。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述可溶性碳源为蔗糖、葡萄糖、壳聚糖、聚乙二醇、柠檬酸、海藻酸钠中的一种或多种；所述分散剂为丙烯酸酯、聚乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮、纤维素钠、聚丙烯酰胺中的一种或多种。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述喷雾干燥过程，进风口温度为180-200℃，出风温度为100-115℃，离心转速为15000-60000r/min；所述真空溅射基体温度150-300℃，溅射时间700-1000s，环境压力100-170Pa，锌外层包裹层厚度300-700nm。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述无机碳材料为石墨、导电炭黑、活性炭、碳纤维、石墨烯、碳纳米管中的一种或多种；所述螯合剂为硫脲、亚硫酸酯、硫醚、聚乙烯吡咯、二烃基二硫代磷酸的铵盐、三硫聚磷酸钠中的一种或多种。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的碳包覆磷酸钛钠螯合锌负极材料在水系电池中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述水系电池为在水系钠离子电池或水系锌离子电池。
...【技术特征摘要】
1.一种碳包覆磷酸钛钠螯合锌负极材料，其特征在于，所述负极材料为碳包覆磷酸钛钠包裹螯合在单质锌表面，形似核壳结构，粒径为1200-3000nm。
2.根据权利要求1所述的一种碳包覆磷酸钛钠螯合锌负极材料，其特征在于，所述负极材料中碳的质量百分比为5％-30％，表面呈亲水性；所述单质锌为锌粉，锌粉的粒径为500-1500nm，占负极材料总质量的5％-40％。
3.根据权利要求1或2所述的一种碳包覆磷酸钛钠螯合锌负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述钠源为碳酸钠、磷酸钠、乙酸钠、氢氧化钠、碳酸氢钠中的一种；所述钛源为二氧化钛、偏钛酸、钛酸乙酯中的一种；所述磷酸盐为磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢钠中的一种。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述可溶性碳源为蔗糖、葡萄糖、壳聚糖、聚乙二醇、柠檬酸、海藻酸钠中的一种或多种；所述分散剂为丙烯酸酯、聚乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮、纤维素钠、聚丙烯酰胺中的...
【专利技术属性】
技术研发人员：张永献，蒋立君，杨鹏，钱森森，徐深秋，
申请(专利权)人：超威电源集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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