基于扁平状MgAl-LDH的无锌枝晶碳纤维负极材料及其电池和方法

本发明属于液流电池电极材料领域，具体涉及一种基于扁平状mgal-ldh的无锌枝晶碳纤维负极材料及其电池和方法。

背景技术：

1、当今社会，随着可再生能源发展的迅猛，储能技术的重要性日益凸显。可再生能源如太阳能和风能具有不断增长的出力波动性，因此，为了更好地整合和平衡能源供应，储能系统成为实现可持续能源利用的关键。然而，伴随储能技术的发展，锌基液流电池作为一种有潜力的储能方案，却面临着锌枝晶问题，这给其长期稳定性和安全性带来了挑战。

2、锌枝晶问题的存在主要归因于锌在充放电过程中不均匀沉积的现象。在电池充电时，锌离子在电极表面沉积形成枝晶，其形成可能导致电池内部短路、过充电或电极失效等问题，严重影响电池的性能和安全性。因此，锌枝晶的形成严重制约了锌基液流电池的循环寿命和功率密度，影响了其在储能领域的广泛应用。设计新的电极材料以有效抑制锌枝晶的生成，可以提升锌基液流电池的循环稳定性和安全性，从而更好地支持可再生能源的发展和储能技术的广泛应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对锌基液流电池中常见的锌枝晶问题，提供一种基于扁平状mgal-ldh的无锌枝晶碳纤维负极材料及其电池和方法。本发明可以降低锌成核势垒，增加锌成核位点，改善锌沉积均匀性，抑制锌枝晶产生，增强锌基液流电池的效率及容量，大幅延长其使用寿命。

2、本发明所采用的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种基于扁平状mgal-ldh的无锌枝晶碳纤维负极材料，由扁平状mgal-ldh材料和碳纤维材料复合而成，mgal-ldh材料通过水热反应原位生长在碳纤维材料表面形成一层均匀且致密的保护层。

4、作为优选，所述碳纤维材料为碳毡、石墨毡、碳布或碳纸。

5、第二方面，本发明提供了一种基于扁平状mgal-ldh的无锌枝晶碳纤维负极材料的制备方法，具体如下：

6、向镁铝溶液中加入过量的尿素，搅拌均匀，得到混合溶液；将碳纤维材料浸泡在所述混合溶液中，在室温(优选为25℃-30℃)下浸泡3-12h(优选6-8h)，并在80-120度的温度下反应4-15h，洗涤干燥后得到基于扁平状mgal-ldh的无锌枝晶碳纤维负极材料。

7、作为优选，所述镁铝溶液中，mg2+离子浓度为0.02-0.2m(进一步优选为0.025m)，al3+浓度为0.01-0.1m(进一步优选为0.0125m)，溶剂为去离子水；溶质采用以下组合中的一种：硫酸镁、硫酸铝或硝酸镁、硝酸铝。

8、作为优选，所述尿素的浓度为0.12-1.2m，优选为0.15m。

9、作为优选，所述洗涤干燥是指用去离子水洗涤至溶液ph＝7，随后放入真空干燥箱内，在40-60℃干燥6-8h。

10、第三方面，本发明提供了一种锌基液流电池，电池的负极为如第一方面所述基于扁平状mgal-ldh的无锌枝晶碳纤维负极材料或如第二方面任一所述制备方法所得基于扁平状mgal-ldh的无锌枝晶碳纤维负极材料；电池的正极为碳纤维材料。

11、作为优选，所述负极的厚度为2-5mm(进一步优选为3mm)，孔隙率为75％-98％(进一步优选为90％)。

12、作为优选，所述电池负极电解液为氧化锌溶液或锌离子溶液，溶液中锌浓度为0.1-0.4m；电池隔膜为离子交换膜、多孔膜或微孔膜中的一种。

13、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

14、本发明采用一种基于扁平状mgal-ldh的无锌枝晶碳纤维负极材料，通过ldh在碳纤维表面的形成的扁平状结构，使碳纤维完全被ldh包裹，该材料可以显著降低锌成核势垒，增加锌的成核位点，并诱导zn的均匀沉积，从而有效抑制锌枝晶的生长。本发明的材料作为锌基液流电池的负极，可以显著提高电池的效率和容量，实现电池在高电流密度下的长期稳定运行。本发明引入的负极材料不仅有效地防止了锌枝晶引起的隔膜刺穿问题，从而延长了电池的寿命，同时也提高了电池的安全性。值得注意的是，本发明的制备过程简单，成本较低，且材料性能稳定可靠。这使得本发明为锌基液流电池在大规模储能领域提供了一种切实可行的解决方案，有望推动锌基液流电池在该领域的广泛应用。

技术特征：

1.一种基于扁平状mgal-ldh的无锌枝晶碳纤维负极材料，其特征在于，由扁平状mgal-ldh材料和碳纤维材料复合而成，mgal-ldh材料通过水热反应原位生长在碳纤维材料表面形成一层均匀且致密的保护层。

2.根据权利要求1所述的一种基于扁平状mgal-ldh的无锌枝晶碳纤维负极材料，其特征在于，所述碳纤维材料为碳毡、石墨毡、碳布或碳纸。

3.一种基于扁平状mgal-ldh的无锌枝晶碳纤维负极材料的制备方法，其特征在于，具体如下：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述镁铝溶液中，mg2+离子浓度为0.02-0.2m，al3+浓度为0.01-0.1m，溶剂为去离子水；溶质采用以下组合中的一种：硫酸镁、硫酸铝或硝酸镁、硝酸铝。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述尿素的浓度为0.12-1.2m，优选为0.15m。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述洗涤干燥是指用去离子水洗涤至溶液ph＝7，随后在40-60℃干燥6-8h。

7.一种锌基液流电池，其特征在于，电池的负极为如权利要求1所述基于扁平状mgal-ldh的无锌枝晶碳纤维负极材料或如权利要求3-7任一所述制备方法所得基于扁平状mgal-ldh的无锌枝晶碳纤维负极材料；电池的正极为碳纤维材料。

8.根据权利要求7所述的一种锌基液流电池，其特征在于，所述负极的厚度为2-5mm，孔隙率为75％-98％。

9.根据权利要求7所述的一种锌基液流电池，其特征在于，所述电池负极电解液为氧化锌溶液或锌离子溶液，溶液中锌浓度为0.1-0.4m；电池隔膜为离子交换膜、多孔膜或微孔膜中的一种。

技术总结
本发明公开了一种基于扁平状MgAl‑LDH材料(以下简称为LDH)的无锌枝晶沉积碳纤维负极材料及其电池和方法，属于液流电池电极材料领域。本发明在碳纤维表面通过水热反应原位生长了一层扁平状LDH层状材料，通过增强锌离子在电极表面的均匀沉积，以此来抑制锌枝晶的产生。LDH材料与Zn原子之间具有更高的结合能，因此可以显著降低Zn的成核势垒，增加Zn成核位点，实现均匀沉积。本方法制备流程简单，原材料廉价且来源广泛，将本方法制备的碳毡应用于锌基液流电池负极，可以显著改善Zn在电极表面的沉积过程，增加Zn的成核位点，显著增强Zn在还原过程中的沉积均匀性，抑制锌枝晶的产生，拓宽电池工作电流密度范围，增强锌基液流电池的使用寿命和安全性。

技术研发人员：王鹏飞,郑梦莲,汪洋,黄靖云,叶志镇
受保护的技术使用者：浙江大学温州研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17