[发明专利]一种高性能镍锌电池负极活性材料及其制备方法

说明书

本发明属于能源与材料技术领域，具体为一种高性能镍锌电池负极活性材料及其制备方法。本发明的负极活性材料为一种具有团簇结构的碳点/氧化锌纳米复合材料。其制备方法包括：向碱性水溶液中滴加碳点和锌盐的混合水溶液，加热反应至有大量产物析出，冷却并离心反应液得到沉淀物，将沉淀洗涤、烘干；将沉淀物在氮气氛围中加热处理，制得碳点/氧化锌纳米复合材料。本发明的碳点/氧化锌纳米复合材料具有多方面的优点：比表面积大、晶格缺陷多、导电性好、比容量高、抗腐蚀性强；在镍锌电池中，表现出极好的倍率性能和循环稳定性，具有优秀的安全性和长期的稳定性，可应用于电化学储能的许多领域。

技术领域

本发明属于能源与材料技术领域，具体涉及镍锌电池负极材料及其制备方法。

背景技术

近年来，能源结构的调整突显了电能清洁、便利、高效、广泛实用的优势地位，而利用具有高容量与优异循环性能的二次电池来对电能实现有效存储、运输和使用显得尤为重要。现有的二次电池体系，都存在着一些难以解决的问题，比如铅酸电池污染严重、功率和能量密度低；镍氢电池的工作电压低、储氢负极价格昂贵；锂电池的有机电解液易燃易爆，以及锂、钴矿资源储量不足。相比之下，水系锌离子电池，如镍锌电池具有安全系数高、功率密度高、价格低廉等优点而成为新一代电池体系中有力的竞争者。目前，该类电池的短板主要集中于锌负极材料，因而提升该类电极的性能对推动相关电池的发展与应用具有重要意义。

以镍锌电池为例，其亟待解决的关键性难题基本集中于负极氧化锌材料易溶解、易腐蚀、导电性能不佳等问题。其结果将直接导致电池材料的循环稳定性和倍率性能堪忧。以商业氧化锌材料为例，当电流密度从1A/g提升至10A/g时，其容量的保持率仅剩40%左右。在1A/g的电流密度下，100圈循环后，其容量保持率仅剩30%左右。而有效解决负极的这些问题，将对制备高性能镍锌电池具有重要的意义与价值。相关研究表明，碳复合工艺相对可靠，例如在制备负极时引入碳纳米管或者炭黑等碳材料。然而，此类复合材料的导电性能与耐腐蚀性虽有一定的提升，但其倍率性能与大电流下的循环性能仍有待提升。

碳点，作为一种新型的零维碳纳米材料，其具有价格低廉、制备简便、分散性好、导电性好、化学性质稳定等特点。相关研究及本发明显示，碳点可以对氧化锌电极材料具有调控微观结构，提升电子电导率，抑制自腐蚀等多方面的作用。进而使其倍率性能与循环性能分别提升近30%和50%。对比相关研究结果，该发明基本解决了传统氧化锌电极材料存在的主要缺点，为镍锌电池的开发提供了极为有力的支持。

发明内容

本发明的目的在于解决现有镍锌电池负极活性材料性能不足的问题而提供一种具有极好倍率性能和循环性能的镍锌电池负极活性材料及其制备方法。

本发明提供的镍锌电池负极活性材料，是一种由碳点和氧化锌复合形成的纳米团簇（记为碳点/氧化锌纳米材料），其结构具有以下特征：

（1）碳点的直径为1~10纳米，其内部是石墨化的、导电性能良好的碳，外部具有多种有机功能团和缺陷结构，能够和氧化锌材料紧密的结合在一起；

（2）碳点/氧化锌纳米复合材料的表面碳层厚度为10~90纳米，在煅烧后形成独特的球形团簇结构，其粒径为500~5000纳米，其表层具有垂直于球面且向外的棒状结构，纳米材料整体呈刺球状，表面具有氧空位或锌空位。

本发明的镍锌电池负极活性材料的制备方法，结合溶胶-凝胶法和高温煅烧处理技术，具体步骤如下：

（1）将碳点加入到锌盐溶液中，混合并搅拌，配制得到碳点/锌盐混合溶液；将该混合溶液滴加至碱溶液中，在50~85℃温度下，回流1~12小时，自然冷却至室温，通过离心反应液得到固体沉淀，洗涤除去未反应的杂质，将洗净的沉淀物烘干；

（2）在氮气氛围中，将沉淀物在300~600℃下热处理1~3小时，得到碳点/氧化锌复合材料。具体如将烘干的沉淀物放入坩埚内，将坩埚置于管式炉中，在氮气氛围中加热处理1~3小时。