一种自支撑锌负极制备

本发明涉及水系锌离子电池，具体为n掺杂导电碳膜自支撑锌负极制备方法和应用。

背景技术：

1、石油煤炭等传统化石燃料的开采利用已经对我们的环境造成了严重污染，并使大气中二氧化碳浓度大大提升。为了实现减碳目标，太阳能、风能等可再生能源的开发和利用被提到日程上来。然而这些可再生能源的间歇性特点，只能被间断利用，需要发展合适的储能装置。可充电电池被认为是下一代可持续储能的首选方案。

2、二次电池可以实现化学能和电能的高效转化，具有使用方便等优点，已经被广泛应用在电动汽车、移动电子设备、电网等众多领域。在现有的二次电池中，锂电池目前作为研究最为广泛的可充电电池，具有很高的能量密度(200-350wh/kg)，然而，锂资源的短缺以及有机电解液的易燃特性带来了严重的安全隐患，此外锂电池的装配环境要求也是极其严格。因此探索新型安全替代电池体系成为了迫切需要。

3、相较于其他碱金属(锂、钠、钾)，金属锌可以在空气环境中稳定存在，可直接用作锌负极，此外锌负极还有较高的理论容量(820mah/g)和低的氧化还原电位(-0.76vvs.she)。但是水系锌电池也尤其固有的问题，在循环过程中稳定性较差，在金属锌负极附近会产生枝晶生长，造成负极极化增大、容量衰减，刺穿隔膜引起短路；析氢副反应的发生，导致库伦效率较低，电池失效，另外直接使用金属锌往往会造成过多的无效锌，导致电池能量密度偏低，降低锌电池的市场竞争力。

4、因此现在需要一种廉价，绿色高效的锌负极处理方法，可以长时间抑制锌枝晶等副反应，有效提升锌负极利用率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对在上述金属锌存在的问题，提供热处理结合电镀制备n掺杂导电碳膜自支撑锌负极，此过程安全无污染、操作简易，同时可以定量控制负极锌含量，提升电池稳定性和能量密度。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、在本公开的第一方面，本申请实施例提供了一种热处理结合电镀制备n掺杂导电碳膜自支撑锌负极，其步骤如下：

4、(1)将商业导电碳膜用去离子水和乙醇冲洗干净，并置于氧气氛围中300-450℃煅烧2-5h。

5、(2)将步骤(1)得到的前驱体置于管式炉中，经过400-500℃的氨气气氛下热处理2-3h，自然冷却至室温得到n掺杂导电碳膜。

6、(3)将步骤(2)得到的n掺杂导电碳膜置于电镀池中，利用金属锌箔做对电极，2-5mo l/l锌盐溶液做电镀液，在搅拌环境下，施加电流在导电碳膜上进行锌定量沉积得到自支撑锌负极。并组装水系锌离子电池进行电化学性能测试。

7、优选地，所述步骤(1)中，热处理升温速率为5℃/mi n，加热温度为350℃，煅烧时间为2h。

8、优选地，所述步骤(2)中，热处理升温速率为2℃/mi n，加热温度为400℃，煅烧时间为2h。

9、优选地，所述步骤(3)中，搅拌转速为220r/mi n，电流密度为1ma/cm2，采用锌盐为硫酸锌。

10、所述普通锌离子电池电解液的电解质可以是硫酸锌、氯化锌或三氟甲磺酸锌中的一种或多种。

11、优选的方案，在所述的电解液中，锌盐的体积摩尔浓度为1mol/l～3mol/l。

12、本发明所述锌基电池负极为金属锌，正极为二氧化锰、磷酸铁锂、普鲁士蓝、五氧化二钒和锰酸锂中的一种。

13、经测试，上述水系锌离子电池自支撑负极可以有效提高锌负极的循环稳定性；基于测试数据，上述电解液可用在水系锌离子电池储能装置中。

14、本发明的优点和有益效果：

15、1.本发明的上述方案以商用碳膜为基底，利用氮掺杂的方法增加锌离子的吸附活性位点，实现锌的均匀沉积，抑制枝晶生长。

16、2.本发明电镀制备n掺杂导电碳膜自支撑锌负极，可以定量控制负极金属锌的质量，减少无效锌负极，减少了锌金属材料的浪费。

17、3.本发明提供的制备方法，不仅工艺简单，在时间成本上也有非常大的优越性，在锌离子电池实际应用领域具有较大应用前景。

技术特征：

1.一种自支撑锌负极设计、水系锌离子电池。尤其是n掺杂导电碳膜自支撑锌负极制备方法，其特征在于，以下步骤:

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述热处理升温速率为5℃/min，升温至350℃并保温2h。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述热处理升温速率为2℃/min，升温至400℃并保温2h。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，搅拌转速为200-300r/min，电流密度为1ma/cm2,采用锌盐为硫酸锌、氯化锌或三氟甲磺酸锌中的一种或多种。

5.根据权利要求1-5任一项所述方法制备的n掺杂导电碳膜自支撑锌负极在水系锌离子电池中的应用。

6.根据权利要求5所述的n掺杂导电碳膜自支撑锌负极在水系锌离子电池中的应用，其特征在于所述水系锌离子电池使用的电解液为体积摩尔浓度为1mol/l～3mol/l的硫酸锌、氯化锌或三氟甲磺酸锌水溶液。

技术总结
本发明涉及水系锌离子电池领域，尤其涉及N掺杂导电碳膜自支撑锌负极制备方法及其应用。制备方法：将商业导电碳膜在氨气环境中低温下进行煅烧实现N掺杂。进行诱导锌离子均匀沉积。本发明所述的自支撑锌负极可以定量控制锌含量、降低全电池的N/P比，提升能量密度。同时该导电基底可以使锌离子沉积更加均匀，抑制锌枝晶生长，提升锌离子电池循环稳定性，在水系锌离子电池领域具有十分广阔的应用前景。

技术研发人员：陈人杰,胡正强
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11