一種鎳鋅電池鋅負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鎳鋅電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鎳鋅電池新負(fù)極材料及其制備方法 和應(yīng)用。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003] 近年來(lái)，隨著礦石能源的減少和環(huán)境的持續(xù)惡化，人類(lèi)急需一種新型的清潔能源 來(lái)替代現(xiàn)有的能源。電池作為一種儲(chǔ)能裝置，能很好地把其它清潔能源儲(chǔ)存起來(lái)提供給各 個(gè)方面使用，而被廣泛的研宄。隨著科技的發(fā)展，便攜式電子設(shè)備越來(lái)越需求一種可靠的， 穩(wěn)定的、容量高，安全性能好的小型電池。目前，市面上表現(xiàn)最好的是鋰離子電池，鋰離子電 池具有比容量高、循環(huán)穩(wěn)定性好、工作溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但鋰離子電池的安全性能制約了 它在大型設(shè)備比如電動(dòng)汽車(chē)上的使用，現(xiàn)今汽車(chē)上使用最普遍的電池是鉛酸電池，鉛酸電 池具有電壓高，循環(huán)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，但它的缺點(diǎn)也很明顯，例如比能量低，污染嚴(yán)重等。
[0004] 鎳鋅電池是一個(gè)具有100年歷史的電池，具有能量密度高，放電平臺(tái)高、材料來(lái)源 豐富、對(duì)環(huán)境友好及安全性能高等優(yōu)點(diǎn)。目前，制約鎳鋅電池發(fā)展最主要的問(wèn)題是循環(huán)穩(wěn)定 性差，鋅負(fù)極性能是直接影響鎳鋅電池的性能的主要因素，為解決這一主要問(wèn)題，很多學(xué)者 研宄了使用一些添加劑來(lái)修飾ZnO,如Sb203、A1203、Si02、PbO、Ti02、C〇203、Nb205、Y203、La203、 Ca(0H)2、Bi203、In(0H)3、BaO等，雖然這些研宄都能很大程度上的提高鎳鋅電池的穩(wěn)定性， 但也存在材料容量下降較多等問(wèn)題。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足問(wèn)題，本發(fā)明的目的是解決鎳鋅電池循環(huán)穩(wěn)定性差 和材料容量的問(wèn)題，而提供一種鎳鋅電池鋅負(fù)極材料及其制備方法。
[0007] 本發(fā)明還提供所述鎳鋅電池鋅負(fù)極材料的應(yīng)用。
[0008] 實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 一種鎳鋅電池鋅負(fù)極材料，包括ZnXn04和ZnO,其中，ZnXn04物質(zhì)的量占鋅負(fù)極材料總 物質(zhì)的量的〇. 5~5% ;X=Fe和/或Co,n=l或2。
[0009] 上述鎳鋅電池鋅負(fù)極材料的制備方法，包括如下步驟： (1) 將鐵鹽和鈷鹽中的一種或兩種，與鋅鹽中的一種，一起用去離子水配制成金屬離子 總摩爾濃度為〇? 25mol/L的鹽溶液；其中，鋅離子在溶液中的濃度為0? 225~0. 2475mol/ L;其他金屬離子濃度為0? 0025~0. 025mol/L; 將氫氧化鈉、碳酸鈉、尿素和氨水中的一種或兩種以上，用去離子水配制成總摩爾濃度 為0. 625mol/L的沉淀劑； (2) 將步驟（1)配制的鹽溶液和沉淀劑，同時(shí)滴入去離子水中，保持50~70°C，pH=9~12， 持續(xù)攪拌30~60min;其中，鹽溶液、沉淀劑和去離子水的體積比為1:1:0. 1 ; (3) 將步驟（2)滴定后的混合液倒入水熱反應(yīng)釜中反應(yīng)，在100~150°C保持8~12h; (4) 最后將步驟3)反應(yīng)后的溶液經(jīng)過(guò)抽濾、洗滌和烘干，制得鎳鋅電池鋅負(fù)極材料。
[0010] 上述鎳鋅電池鋅負(fù)極材料的應(yīng)用，采用碳粉、聚四氟乙烯、羥甲基纖維素鈉和上 述鎳鋅電池鋅負(fù)極材料，按5~10 :3~5 :2~5 :80~90的重量配比，配制成鎳鋅電池鋅負(fù)極；所 述鎮(zhèn)鋅電池鋅負(fù)極材料米用上述制備方法獲得。
[0011] 相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果： 1、本發(fā)明由原料合成含有ZnXn04 (X=Fe和/或Co,n=l或2)類(lèi)結(jié)構(gòu)物質(zhì)的ZnO,改善鎳 鋅電池的循環(huán)性能差的問(wèn)題。這類(lèi)物質(zhì)采用水熱法合成，以六水合硝酸鋅、醋酸鋅、七水合 硫酸鋅和氯化鋅中的一種，與九水合硝酸鐵、硫酸鐵、六水合氯化鐵、七水合硫酸鈷、六水合 硝酸鈷和二水合氯化鈷中的一種或兩種，配置成鹽溶液，以氫氧化鈉、碳酸鈉、尿素、氨水和 氫氧化鉀中的一種或兩種，配置成堿溶液，合成含有ZnXn04(X=Fe和/或Co,n=l或2)類(lèi)結(jié) 構(gòu)物質(zhì)的ZnO,其中ZnXn04物質(zhì)的量（mol)占鋅負(fù)極材料總物質(zhì)的量（mol)的0? 5~5%〇
[0012] 2、本發(fā)明合成的鎳鋅電池鋅負(fù)極材料，具有較好的充放電容量和循環(huán)穩(wěn)定性；克 服了鎳鋅電池在放電過(guò)程中形成的ZnO和Zn(0H)2在堿性溶液中易溶解，而在充電過(guò)程中 由于鋅沉積的不均勻而導(dǎo)致鋅枝晶的形成從而降低了電池的循環(huán)穩(wěn)定性的問(wèn)題；還克服了 隨著充放電的進(jìn)行，鋅酸鹽下沉導(dǎo)致電極變形，減少有效面積，降低放電速率進(jìn)而影響電池 容量和循環(huán)穩(wěn)定性的問(wèn)題。
[0013] 3、ZnO是一種半導(dǎo)體材料，在鎳鋅電池中電阻較大，本發(fā)明合成的鋅負(fù)極材料能有 效降低鋅負(fù)極電阻，提升電池的充放電效率。
[0014] 4、本發(fā)明鎳鋅電池鋅電極材料用于鎳鋅電池鋅負(fù)極，比容量達(dá)到467mAh/g以上， 具有較高的比容量；并且，經(jīng)過(guò)測(cè)試所述鎳鋅電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)20次仍有 良好的放電比容量，優(yōu)化了鎳鋅電池的性能。
[0015] 5、本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，易操作，適用于工業(yè)化大生產(chǎn)，具有良好的市場(chǎng)前景。
[0016] 6、本發(fā)明合成材料中使用的原料均為廉價(jià)易得且對(duì)環(huán)境無(wú)污染，降低了鎳鋅電池 在生產(chǎn)中的成本。
[0017]
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為本發(fā)明鎳鋅電池鋅負(fù)極的材料的XRD圖； 圖2為本發(fā)明鎳鋅電池鋅負(fù)極第15周放電曲線圖； 圖3為本發(fā)明鎳鋅電池鋅負(fù)極循環(huán)-放電曲線圖。
[0019]
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，實(shí)施例中如無(wú)特殊說(shuō) 明，采用的原料即為普通市售產(chǎn)品。
[0021] 實(shí)施例1: 一種鎳鋅電池鋅負(fù)極材料的制備方法，包括如下步驟： 稱(chēng)取6. 8775g七水合硫酸鋅和0. 5074g硫酸鐵溶于100mL去離子水，配成鹽溶液；稱(chēng) 取2. 0946gNaOH和1.3294gNa2C03溶于100mL去離子水中，配成沉淀劑；將上述鹽溶液和 沉淀劑同時(shí)滴入lOmL水中，鹽溶液和沉淀劑的滴定速度均為1. 5mL/min，保持反應(yīng)溫度為 60°C，用酸溶液或堿溶液輔助維持反應(yīng)溶液的pH值為10,持續(xù)攪拌；待溶液滴定完全后，保 持?jǐn)嚢?0min，放入水熱反應(yīng)釜，120°C保持10h;經(jīng)抽濾、洗滌和烘干，制得用于鎳鋅電池 鋅負(fù)極材料。
[0022] 所述鎳鋅電池鋅負(fù)極材料的應(yīng)用，取碳粉9份，PTFE(聚四氟乙烯）4份，CMC(羥 甲基纖維素鈉）2份和上述鎳鋅電池鋅負(fù)極材料85份，混合均勻，涂在lcmXlcm的黃銅網(wǎng) 上，經(jīng)過(guò)烘干和壓片，制得鎳鋅電池鋅負(fù)極。
[0023] 將制得的鎳鋅電池鋅負(fù)極和鎳電極用隔膜隔開(kāi)，疊放在一起，固定。放入7mol/L K0H電解液中，組裝電池。用新威電池檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，采用制得的鎳鋅電 池鋅負(fù)極組裝的電池，比容量為467mAh/g，具有較高的比容量。
[0024] 實(shí)施例2:-種鎳鋅電池鋅負(fù)極材料的制備方法，包括如下步驟： 稱(chēng)取7. 3621g六水合硝酸鋅和0. 2040g九水合硝酸鐵，溶于100mL去離子水，配成鹽溶 液；稱(chēng)取2. 0740gNaOH和1. 3254gNa2C03，溶于100mL去離子水中，配成沉淀劑；將上述鹽 溶液和沉淀劑同時(shí)滴入10mL水中，鹽溶液和沉淀劑的滴定速度均為1. 5mL/min，保持反 應(yīng)溫度60°C，用酸溶液或堿溶液輔助維持反應(yīng)溶液的pH值為10,持續(xù)攪拌。待溶液滴定完 全后，保持?jǐn)嚢?0min，放入水熱反應(yīng)釜，110°C保持12h;經(jīng)抽濾、洗滌和烘干，制得用于鎳 鋅電池鋅負(fù)極的材料。為ZnFe204和ZnO的混合物，進(jìn)行X射線衍射試驗(yàn)，結(jié)果如XRD圖所 示（附圖1 )，XRD圖中，分別出現(xiàn)了ZnO和ZnFe204的衍射峰，說(shuō)明合成的鋅負(fù)極材料中，含有 ZnFe204和ZnO。
[0025] 所述鎳鋅電池鋅負(fù)極材料的應(yīng)用，取碳粉10份，PTFE(聚四氟乙烯）5份，CMC(羥 甲基纖維素鈉）2份，鎳鋅電池鋅負(fù)極的材料83份，混合均勻，涂在lcmXlcm的黃銅網(wǎng)上， 經(jīng)過(guò)烘干和壓片，制得鎳鋅電池鋅負(fù)極。
[0026] 將制得的鎳鋅電池鋅負(fù)極和鎳電極用隔膜隔開(kāi)，疊放在一起，固定。放入7mol/L K0H電解液中，組裝電池。用新威電池檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，采用制得的鎳鋅電 池鋅負(fù)極組裝的電池，第20周比容量為498mAh/g，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
[0027] 圖2為本發(fā)明鎳鋅電池鋅負(fù)極的第15周放電曲線圖，結(jié)果顯示，該種負(fù)極材料能 獲得較好的放電平臺(tái)、1.7V左右的中值電壓及較高的放電容量。
[0028] 圖3為所述鎳鋅電池鋅負(fù)極材料的循環(huán)-放電曲線圖，結(jié)果顯示，本發(fā)明制得的鎳 鋅電池鋅電極具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)20次仍具有良好的放電比容量。
[0029] 實(shí)施例3:-種鎳鋅電池鋅負(fù)極材料的制備方法，包括如下步驟： 稱(chēng)取3. 3074g氯化鋅和0. 3752g六水合氯化鐵，溶于100mL去離子水，配成鹽溶液；稱(chēng) 取2. 0833gNaOH和1. 3275gNa2C03，溶于100mL去離子水中，配成沉淀劑；將上述鹽溶液 和沉淀劑同時(shí)滴入10mL水中，鹽溶液和沉淀劑的滴定速度均為1. 5mL/min，保持反應(yīng)溫度 70°C，用酸溶液或堿溶液輔助維持反應(yīng)溶液的pH值為12,持續(xù)攪拌。待溶液滴定完全后，保 持?jǐn)嚢?0min，放入水熱反應(yīng)釜，150°C保持8h。抽濾、洗滌、烘干制得用于鎳鋅電池鋅負(fù) 極的材料。
[0030] 所述鎳鋅電池鋅負(fù)極材料的應(yīng)用，取碳粉5份，PTFE(聚四氟乙烯）5份，CMC(羥 甲基纖維素鈉）5份，鎳鋅電池鋅負(fù)極的材料85份，混合均勻，涂在lcmXlcm的黃銅網(wǎng)上， 經(jīng)過(guò)烘干和壓片，制得鎳鋅電池鋅負(fù)極。
[0031] 將制得的鎳鋅電池鋅負(fù)極和鎳電極用隔膜隔開(kāi)，疊放在一起，固定。放入7mol/L K0H電解液中，組裝電池。用新威電池檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)