[发明专利]一种镍锌碱性电池负极极片的制备方法及其应用

说明书

本发明属于镍锌碱性电池制备技术领域，公开了一种镍锌碱性电池负极极片的制备方法及其应用，该方法将负极活性材料、导电剂与粘结剂混合均匀，滴加N‑甲基吡咯烷酮搅拌10～15h后得到均匀的浆液，将浆液滴加和/或涂敷在集流体上，经干燥得到极片，将极片放入浸泡液中1～5min，干燥形成隔膜后制得负极极片。采用本发明的碳包覆和薄膜层双重保护的负极极片不仅通过抑制锌枝晶的产生显著提高了碱性镍锌电池的使用寿命，而且通过抑制析氢反应和锌的自反应提高了负极的容量和库伦效率。本发明的负极材料和负极片的制作方法操作方便、简单，便于实施和规模化制备。采用本发明制得的镍锌电池装配方便、使用寿命长且无枝晶产生。

技术领域

本发明涉及镍锌碱性电池制备技术领域，特别涉及一种镍锌碱性电池负极极片的制备方法及其应用。

背景技术

目前，商业化应用规模较大的二次电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池等。但是，他们都存在一定的局限性。例如，铅酸电池的低能量密度与环境有害特性使其面临淘汰；较低的工作电压和功率密度，以及有限的使用寿命制约了镍氢电池的推广应用；锂电池则受限于易燃且高粘度的有机电解液、高昂的制造成本和有限的锂、钴资源等，在规模化应用中存在较大的安全隐患，且快充快放能力差，成本居高不下。在构建绿色和谐社会，实现碳中和目标的时代背景下，急需一种绿色、环保、安全，同时具有高储能特性的电池。在已知的众多电池体系中，碱性镍锌电池作为绿色环保的水系电池，是最可能满足上述要求的一类电池，其具有功率高、电极材料资源丰富、安全性能优异等优点，被认为是锂电池、铅酸电池和镍氢电池的有力竞争者与替代者。

尽管碱性镍锌电池有诸多优势，且从其提出至今已有两百多年的历史，但其推广应用一直很缓慢，目前可商用的电池非常有限，且性能较差。造成这一现象的主要原因是电池的循环性能较差、库伦效率较低，而锌负极相关的诸多问题是其中的关键，包括电极材料的腐蚀、锌枝晶的生长和析氢反应等。并且，这些问题并不是相互独立，而是相互影响的。具体而言，枝晶的形成会导致负极表面积的增加，这会加速锌的氧化和腐蚀溶解，提高析氢速率(锌的氧化伴有氢气析出)；另外，锌氧化的部分产物会覆盖在材料表面形成惰性层，减少锌的反应活性，从而加剧充放电过程的析氢比例。枝晶和电极材料的腐蚀溶解是造成镍锌电池循环稳定性差的主要原因，而电极材料的自腐蚀(自放电)和析氢反应是造成其库伦效率不高的主因。

为了缓解锌负极的相关问题，已经提出了各种策略，例如添加剂的使用，表面改性和材料结构优化。添加剂与负极材料的物理混合是改变材料性能的最简单方法。其中，金属氧化物添加剂Ca(OH)₂的研究最多。锌酸钙的形成会降低锌酸盐在电解液中的溶解度，减少锌负极的溶解。但是，锌酸钙的形成和分解缓慢，导致电池的高倍率充放电性能较差。此外，还有一些关于使用碳进行相关涂层改性的研究报告，例如氧化石墨(GO)和TiN_xO_y涂层(YanY,Zhang Y,Wu Y,Wang Z,Mathur A,Yang H,et al.A Lasagna-Inspired Nanoscale ZnOAnode Design for High-EnergyRechargeable Aqueous Batteries.ACS Applied EnergyMaterials.2018；1:6345-51.)。然而，这些系统的库伦效率和耐用性对于实际应用来说远非令人满意。要平衡基于ZnO的阳极的放电电压、耐久性、可逆容量和功率密度，还有很长的路要走，有必要找到一种更全面的解决方案来平衡阳极的放电电压、耐久性、可逆容量和功率密度。因此，本发明主要针对锌负极的上述问题，提出一种两层保护法解决锌枝晶和自溶解的有效解决方案。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种镍锌碱性电池负极极片的制备方法，有效解决锌负极存在的各类问题。

本发明的又一目的是提供一种镍锌碱性电池负极极片。

本发明的再一目的是提供上述负极极片的应用，将其用于碱性镍锌电池的组装，使高效、稳定镍锌电池具备产业化应用的基础。