[发明专利]富氧空位型尖晶石ZnCo2

说明书

本发明提供了富氧空位型尖晶石ZnCo₂O₄正极和KOH/C₄H₆O₄Zn混合电解液用于水系锌离子电池。通过氟掺杂和化学还原法协同产生氧空位，有效提升了电极的电导率，增强了法拉第氧化还原反应动力学，从而提高了电极材料的稳定性和电化学性能，使电极材料具有更高的比容量。电化学测试表明，在电流密度为1 A·g^‑1时，单电极比容量达到663.9 mAh·g^‑1。

技术领域

本发明属于材料合成技术领域，具体涉及一种氧空位型尖晶石ZnCo₂O₄正极的制备，用于水系锌离子电池。

背景技术

如今，随着可穿戴电子和智能设备的快速发展，人们迫切需要灵活的高性能储能设备。超级电容器因其快速的充放电过程、优越的循环稳定性和高功率密度而受到世界各国的广泛关注。此外，充水锌电池作为一种充水电池，由于其全球储量大、工作电压高、安全性高，被认为是最有前途的电池。因此，选择同时满足超级电容器和锌离子电池需求的电极材料，仍然是清洁可持续能源技术发展的迫切和挑战。

近年来，金属氧化物广泛应用于超级电容器、电催化、可充电电池和燃料电池等领域。双金属氧化物因其成分多样、储量丰富、毒性低、氧化还原化学性质丰富而特别具有吸引力；在众多双氧化物中，钴基金属氧化物ZnCo₂O₄的理论比容量可达到900 mhA·g^-1高于常见的Co₃O₄电极材料。然而，ZnCo₂O₄的电化学性能受到材料利用率低和电子导电性差的制约而阻碍了实际应用。

离子空位工程已被证明是调节材料电子结构的一种有效方法，材料微观机理和第一性原理计算分析发现，氧空位诱导的中间禁带电子态可以促进电化学电荷传输，有助于提高材料的比容量、倍率性能和循环稳定性，其中，离子掺杂被证明是制造氧空位的有效方法之一，它可以通过优化金属氧化物的电子结构和提高其电子导电性来提高金属氧化物位点的本征活性，例如，Xiao和他的同事的研究表明，在泡沫镍基底上生长的硫掺杂水合碳酸酯钴（CCHH）层状纳米线阵列可以优化电子结构，同时保留其独特的微观形貌，从而提高其电子导电性，然而，传统的方法往往聚焦于某一特定阴离子空位浓度的调控，且产生的氧空位浓度十分有限，化学还原法可以简便易行实现氧空位调控，但是过量的还原剂会导致结构坍塌，通过引入F掺杂剂和氧空位，协同增加电导率并提供丰富的法拉第氧化还原化学作用，可以有效地调节ZnCo₂O₄的结构和电子性质。例如，Wei通过简单的同步等离子体激活策略，成功地在碳纤维衬底上设计了新型的氮掺杂氧空位NiCo₂O₄微孔纳米草（N-Ov-NCOMiNG-15），用于高性能超级电容器，优化后的N-Ov-NCO MiNG-15在1 mA·cm^-2下具有2986.25 F·g^-1的比电容，12000次循环后电容保留率达到96.5%。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术不足，提供一种氟掺杂和氧空位调控的双缺陷F-ZnCo₂O_4-x电极材料的制备方法，通过氟掺杂和化学还原法协同产生氧空位，同时调控复合材料形貌，以得到更多有效的活性位点，使电极材料具有更高的比容量。