[发明专利]一种三维多孔ZnO/SnO2

说明书

本发明公开了一种三维多孔ZnO/SnO₂复合材料及其制备方法与在镍锌电池中的应用，属于电池材料技术领域。本发明的一种三维多孔ZnO/SnO₂复合材料的制备方法，具体步骤包括：向草酸溶液中加入一定锌盐和锡盐后加热搅拌，烘干后在热处理炉中煅烧，即可得三维多孔ZnO/SnO₂复合材料。该方法操作简单、成本低廉、对环境友好；所制备的ZnO/SnO₂复合材料相对于实心纯ZnO具有较大比表面积和较强的抗腐蚀能力，所形成的三维多孔结构有利于缓解锌枝晶的生成。本发明的三维多孔ZnO/SnO₂复合材料用于碱性镍锌电池体系，表现出优异的结构稳定性、循环稳定性和倍率性能，具有很好的商用价值和应用前景。

技术领域

本发明属于镍锌电池材料技术领域，具体涉及一种三维多孔ZnO/SnO₂复合材料及其制备方法与在镍锌电池中的应用。

背景技术

随着化石燃料的持续消耗和生态环境的逐渐恶化，发展新型清洁的可再生能源变得格外重要。同时，为解决可再生能源(如太阳能、风能、潮汐能等)间歇性或地域性的问题，储能系统，特别是二次电池得到了飞速发展。其中，基于有机电解质的锂离子电池的成功应用更是推动了便携式电子设备和电动汽车的发展。然而，人们对锂离子电池的安全问题和高成本的担忧日益增加，这将会剥夺锂离子电池在大规模储能中应用的机会。因此，水系可充电电池，如水系镁、铝、锌基电池等，凭借其安全、环保、成本效益高等优点，被视为当前锂离子电池在大规模储能方面的应用中极具发展前景的替代品。

在众多水系电池体系中，水系锌基电池由于锌基负极具有较低的氧化还原电位、高容量和低成本以及在一些常规水性电解质中的相对稳定性和相容性等特点，使得相应的电池系统更适合电网规模的储能系统。因此，近年来很多学术团队和机构将研究重心转移到开发新颖的低成本、高安全性、高功率密度的水系锌基电池体系。以碱性镍锌电池为例，其凭借高能量密度、放电平台高、材料成本低、对环境友好等优点，已经持续发展了很长时间。然而，锌负极在碱性电解液中仍面临着较为严峻的挑战(如自腐蚀、枝晶的生成、钝化、变形、导电性较差等)，导致镍锌电池的循环性能和倍率性能仍不能满足人们的需求。

基于现有镍锌电池体系中锌负极侧存在的以上问题，研究人员开发了各种改性策略。如中国专利公开了一种基于多孔碳纳米囊原位包覆氧化锌的镍锌电池负极材料的制备方法，该申请案通过加入间二苯酚和甲醛对氧化锌进行原位聚合包覆，经碳化和二氧化碳造孔处理后，制备了高导电性、高孔体积和大比表面积的多孔碳纳米囊原位包覆氧化锌复合材料。该申请案中碳原子将氧化锌固定在囊中，以缓解氧化锌的自腐蚀与溶解，但该申请案的制备过程中需要经历高温碳化和二氧化碳造孔处理，整体制备工艺相对复杂；一种用于锌镍电池的 ZnO@C负极材料及其制备方法公开了通过原位生长ZIF-8衍生碳包覆ZnO纳米复合材料，其核壳结构可以有效缓解锌负极的溶解和变形；另外，Zhang等(Journal ofPower Sources 407 (2018)137-146)采用高温水热反应通过原位生长的方式将ZnO纳米片负载到石墨烯上，该负极材料在电流密度为1A/g下表现出较好的循环稳定性(400圈后容量保持率为87％)。然而，这些复合材料仍存在一些问题，如电池容量衰减较快，制备工艺较复杂或制备过程中使用了较昂贵的原材料，商用价值较低。