CN105206879A - 一种碱性锌二次电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碱性锌二次电池，由正极极片、负极极片、水系电解液和隔膜构成；其特征在于：所述正极采用过渡金属硫化物，负极采用锌金属片，电解液采用含锌离子的碱性水系电解液。本发明采用成本低廉、合成简单的过渡金属硫化物作为正极材料，组装的水系锌二次电池具有高能量密度、倍率性能优异的特性，满足高性能锌二次电池对正极材料综合性能的要求。

Description

一种碱性锌二次电池及其制备方法
技术领域
本发明属于电化学技术领域，涉及一种碱性锌二次电池及其制备方法。
背景技术
锂离子二次电池由于其高的能量密度，良好的可设计性，对操作环境要求较低，从而成为当下乃至未来便携式电子设备的选择之一，但随着锂离子二次电池的快速发展和广泛应用，一个新的问题随之而来，即地球上的锂储量有限，现有的锂资源将无法供应未来锂离子二次电池发展对锂资源日益增长的需求。因此，发展安全高效，绿色环保可持续，同时储量丰富，价格低廉的新型金属离子二次电池成为当前电池研究的热点问题。
碱性锌电池，由于其高能量密度，低成本、无毒、高安全性等优点，从而在一次电池市场占有非常重要的地位，但是世界上目前关于锌二次电池的研究却很少有报道。水系锌二次电池采用水作为电解液溶剂，相对于传统锂离子电池而言，避免了有机系电解液的使用，极大节约了成本，并且避免了有机溶剂易燃易爆等安全性问题。目前关于可充锌二次电池的研究主要集中在碱性锌锰电池。碱性锌锰电池采用过渡金属氧化物或氢氧化物作为正极活性材料，如二氧化锰，氧化镍，氢氧化镍等，但是由于金属氧化物本身低的电导率和反应平台（小于1.75V），应用于锌二次电池时存在倍率性能差、能量密度低等缺陷，因而有必要探索性质更加优秀的锌二次电池正极材料体系。
本发明使用过渡金属硫化物作为碱性锌电池正极。与其氧化物相比，过渡金属硫化物具有更高的反应平台，更好的导电性，并且价格低廉。本发明所得的二次锌电池具有优异的循环性能和倍率性能，以及高反应平台等特点，具有广阔的应用前景和优势。
发明内容
本发明的目的在于使用过渡金属硫化物作为正极材料，提供一种安全环保，价格低廉，倍率性能优异，电压高的碱性锌二次电池以及制备方法。
为实现上述目的本发明采用的技术方案为：
一种碱性锌二次电池，由正极、负极、介于两者之间的隔膜和电解液构成，其特征在于，所述正极采用过渡金属硫化物，负极采用锌合金，电解液采用含可溶性锌盐的碱性水系电解液。
所述过渡金属硫化物其化学式为M1xM2ySz，其中，0≤x≤3，0≤y≤3，z=1，2或3，且x,y不可同时为零，M1，M2选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Co、Cu、Zn、Ge、Nb、Mo、Cd、Sn、Sb、W、Pb、Bi中的一种。
所述碱性锌二次电池的负极材料为锌合金，其通式为Zn1-xMx，其中0.01≤x≤1，其中M为Ti，Mn，Fe，Cu，Co，Ni，Al，Mo中一种或几种。
所述碱性锌二次电池的电解液中含有氢氧化钾。
所述碱性锌二次电池电解液中氢氧化钾的浓度为0.1~5mol/L。
所述电解液中可溶性锌盐选自硫酸锌、硝酸锌、氯化锌、氟化锌、溴化锌、乙酸锌、柠檬酸锌、甲酸锌、丙酸锌、丙烯酸锌、苯甲酸锌、次氯酸锌、氯酸锌、高氯酸锌中的一种或几种。
所述可溶性锌盐的摩尔浓度为1~50mmol/L。
所述隔膜为单层聚丙烯膜、聚乙烯膜、聚乙烯/聚丙烯/聚乙烯的复合膜、纤维素无纺布隔膜、玻璃纤维中的一种。
一种碱性锌二次电池的制备方法，主要包括以下步骤：
步骤一，正极制备：将过渡金属硫化物材料、导电剂按一定比例混匀，将混匀的混合物按比例倒入溶解好的粘结剂溶液，调成浆料，然后涂布于正极集流体上，经烘干、碾压、裁剪、真空干燥制备成正极片；
步骤二，负极制备：将锌合金粉体、粘结剂聚四氟乙烯按照质量比9:1进行混合，然后加水稀释，制备成负极浆料，涂布于不锈钢集流体上，120℃烘干，压实，制成负极极片
步骤三，组装电池，将上述步骤一制备的正极片，步骤二制备的负极极片，与电解液、隔膜组装成电池体系。
所述导电剂为炭黑、乙炔黑或它们的混合物，所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶中的一种或几种，所述正极集流体为镍网栅、泡沫镍、钛网、不锈钢网、碳布或碳纸。
本发明所得水系碱性锌二次电池具有价格低廉、安全环保、循环倍率性能优异、能量密度高等优点。
附图说明
图1为本发明效果实施例中碱性锌二次电池的倍率-循环图。
图2为本发明效果实施例中碱性锌二次电池在不同电流密度下的充放电曲线。
具体实施方式
以下所述是本发明实施例的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也为本发明的保护范围。
实施例一
一种钠离子电池的制备方法，包括以下步骤：
正极制备：将正极活性材料NiS2，导电剂乙炔黑和粘结剂聚四氟乙烯按照质量比8:1:1进行混合，然后加水稀释，制备成正极浆料，涂布于不锈钢集流体上，120℃烘干，压实，制成正极极片。
负极制备：将负极材料Zn0.1Mn0.9、粘结剂聚四氟乙烯按照质量比9:1进行混合，然后加水稀释，制备成负极浆料，涂布于不锈钢集流体上，120℃烘干，压实，制成正极极片。
水系电解液的配制：
向20mL试剂瓶中加入15mL去离子水，加入0.1mol/LKOH+5mmol/LZn(Ac)2，搅拌成透明均一的溶液。
制得的一种碱性锌二次电池，包括：
正极极片，包括正极活性材料NiS2和不锈钢集流体，
负极极片，包括负极活性材料Zn0.1Mn0.9和不锈钢集流体，
水系电解液，为0.1mol/LKOH+5mmol/LZn(Ac)2和去离子水。
隔膜为Walkman公司的玻璃纤维隔膜。
用蓝电电池测试仪进行测试，工作测试电压范围为0.8V-1.8V。
实施例二
正极制备：将正极活性材料NiCo2S4，导电剂乙炔黑和粘结剂海藻酸钠按照质量比8:1:1进行混合，然后加水稀释，制备成正极浆料，涂布于碳纸集流体上，120℃烘干，压实，制成正极极片。
负极制备：将负极材料Zn0.5Mn0.5、粘结剂聚四氟乙烯按照质量比9:1进行混合，然后加水稀释，制备成负极浆料，涂布于不锈钢集流体上，120℃烘干，压实，制成正极极片。
水系电解液的配制：
向20mL试剂瓶中加入15mL去离子水，加入1mol/LKOH+20mmol/LZn(NO3)2，搅拌成透明均一的溶液。
制得的一种碱性锌二次电池，包括：
正极极片，包括正极活性材料NiCo2S4和碳纸集流体，
负极极片，包括负极活性材料Zn0.5Mn0.5和不锈钢集流体，
水系电解液，为1mol/LKOH+20mmol/LZn(NO3)2和去离子水。
隔膜为纤维素无纺布隔膜。
用蓝电电池测试仪进行测试，工作测试电压范围为0.8V-1.8V。
实施例三
正极制备：将正极活性材料FeS2，导电剂乙炔黑和粘结剂羧甲基纤维素钠按照质量比8:1:1进行混合，然后加水稀释，制备成正极浆料，涂布于碳布集流体上，120℃烘干，压实，制成正极极片。
负极制备：将负极材料Zn0.9Mn0.1、粘结剂聚四氟乙烯按照质量比9:1进行混合，然后加水稀释，制备成负极浆料，涂布于不锈钢集流体上，120℃烘干，压实，制成正极极片。
水系电解液的配制：
向20mL试剂瓶中加入15mL去离子水，加入2mol/LKOH+50mmol/LZnSO4，搅拌成透明均一的溶液。
制得的一种碱性锌二次电池，包括：
正极极片，包括正极活性材料FeS2和碳布集流体，
负极极片，包括负极活性材料Zn0.9Mn0.1和不锈钢集流体，
水系电解液，为2mol/LKOH+50mmol/LZnSO4和去离子水。
隔膜为单层聚丙烯隔膜。
用蓝电电池测试仪进行测试，工作测试电压范围为0.8V-1.8V。
实施例四
正极制备：将正极活性材料MoS2，导电剂乙炔黑和粘结剂丁苯橡胶按照质量比8:1:1进行混合，然后加水稀释，制备成正极浆料，涂布于钛网集流体上，120℃烘干，压实，制成正极极片。
负极制备：将负极材料Zn0.95Mn0.05、粘结剂聚四氟乙烯按照质量比9:1进行混合，然后加水稀释，制备成负极浆料，涂布于不锈钢集流体上，120℃烘干，压实，制成负极极片。
水系电解液的配制：
向20mL试剂瓶中加入15mL去离子水，加入4mol/LKOH+50mmol/LZn(Ac)2，搅拌成透明均一的溶液。
制得的一种碱性锌二次电池，包括：
正极极片，包括正极活性材料MoS2和钛网集流体，
负极极片，包括负极活性材料Zn0.95Mn0.05和不锈钢集流体，
水系电解液，为4mol/LKOH+50mmol/LZn(Ac)2和去离子水。
隔膜为纤维素无纺布隔膜。
用蓝电电池测试仪进行测试，工作测试电压范围为0.8V-1.8V。
实施例五
正极制备：将正极活性材料SnS2，导电剂乙炔黑和粘结剂聚偏氟乙烯按照质量比8:1:1进行混合，然后加水稀释，制备成正极浆料，涂布于镍网栅集流体上，120℃烘干，压实，制成正极极片。
负极制备：将负极材料Zn0.8Cu0.2、粘结剂聚四氟乙烯按照质量比9:1进行混合，然后加水稀释，制备成负极浆料，涂布于不锈钢集流体上，120℃烘干，压实，制成正极极片。
水系电解液的配制：
向20mL试剂瓶中加入15mL去离子水，加入1mol/LKOH+50mmol/LZn(Ac)2，搅拌成透明均一的溶液。
制得的一种碱性锌二次电池，包括：
正极极片，包括正极活性材料SnS2和镍网栅集流体，
负极极片，包括负极活性材料Zn0.8Cu0.2和不锈钢集流体，
水系电解液，为1mol/LKOH+50mmol/LZn(Ac)2和去离子水。
隔膜为聚乙烯隔膜。
用蓝电电池测试仪进行测试，工作测试电压范围为0.8V-1.8V。
实施例六
正极制备：将正极活性材料MnS，导电剂乙炔黑和粘结剂聚偏氟乙烯按照质量比8:1:1进行混合，然后加水稀释，制备成正极浆料，涂布于泡沫镍集流体上，120℃烘干，压实，制成正极极片。
负极制备：将负极材料Zn0.5Cu0.5、粘结剂聚四氟乙烯按照质量比9:1进行混合，然后加水稀释，制备成负极浆料，涂布于不锈钢集流体上，120℃烘干，压实，制成正极极片。
水系电解液的配制：
向20mL试剂瓶中加入15mL去离子水，加入1mol/LKOH+20mmol/LZn(NO3)2，搅拌成透明均一的溶液。
制得的一种碱性锌二次电池，包括：
正极极片，包括正极活性材料MnS和泡沫镍集流体，
负极极片，包括负极活性材料Zn0.5Cu0.5和不锈钢集流体，
水系电解液，为1mol/LKOH+20mmol/LZn(NO3)2和去离子水。
隔膜为聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合膜。
用蓝电电池测试仪进行测试，工作测试电压范围为0.8V-1.8V。
效果实施例
将正极活性材料NiS2与乙炔黑、聚四氟乙烯（PTFE）按8:1:1的质量比均匀混合，涂覆成工作电极，以Zn0.1Mn0.9作为负极，0.1mol/LKOH+5mmol/LZn(Ac)2水溶液作为电解液，装配成测试电池，采用蓝电电池测试***在室温下以不同电流密度在0.8~2.0V之间进行重放，对电池充放电容量以及循环过程中容量保持率进行测试。
图1为本发明效果实施例中电池以不同电流密度在0.8~2.0V之间进行充放电测试的循环-比容量图，可以看出当电流密度增大到2Ag-1时容量仍保持在104mAhg-1，显示出优异的倍率性质。图2为对应的充放电曲线，可以看出NiS2作为锌二次电池正极电压平台在1.8V，相较于已经报道的可充锌锰电池具有更宽的电化学窗口。

Claims (10)

1.一种碱性锌二次电池，由正极、负极、介于两者之间的隔膜和电解液构成，其特征在于，所述正极采用过渡金属硫化物，负极采用锌合金，电解液采用含可溶性锌盐的碱性水系电解液。
2.根据权利要求1所述的碱性锌二次电池，其特征在于，所述过渡金属硫化物其化学式为M1xM2ySz，其中，0≤x≤3，0≤y≤3，z=1，2或3，且x,y不可同时为零，M1，M2选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Co、Cu、Zn、Ge、Nb、Mo、Cd、Sn、Sb、W、Pb、Bi中的一种。
3.根据权利要求1所述的碱性锌二次电池，其特征在于，所述碱性锌二次电池的负极材料为锌合金，其通式为Zn1-xMx，其中0.01≤x≤1，其中M为Ti，Mn，Fe，Cu，Co，Ni，Al，Mo中一种或几种。
4.根据权利要求1所述的碱性锌二次电池，其特征在于，所述碱性锌二次电池的电解液中含有氢氧化钾。
5.根据权利要求4所述的碱性锌二次电池，其特征在于，所述碱性锌二次电池电解液中氢氧化钾的浓度为0.1~5mol/L。
6.根据权利要求1所述的碱性锌二次电池，其特征在于，所述电解液中可溶性锌盐选自硫酸锌、硝酸锌、氯化锌、氟化锌、溴化锌、乙酸锌、柠檬酸锌、甲酸锌、丙酸锌、丙烯酸锌、苯甲酸锌、次氯酸锌、氯酸锌、高氯酸锌中的一种或几种。
7.根据权利要求6所述的碱性锌二次电池，其特征在于，所述可溶性锌盐的摩尔浓度为1~50mmol/L。
8.根据权利要求1所述的碱性锌二次电池，其特征在于，所述隔膜为单层聚丙烯膜、聚乙烯膜、聚乙烯/聚丙烯/聚乙烯的复合膜、纤维素无纺布隔膜、玻璃纤维中的一种。
9.一种权利要求1所述的碱性锌二次电池的制备方法，主要包括以下步骤：
步骤一，正极制备：将过渡金属硫化物材料、导电剂按一定比例混匀，将混匀的混合物按比例倒入溶解好的粘结剂溶液，调成浆料，然后涂布于正极集流体上，经烘干、碾压、裁剪、真空干燥制备成正极片；
步骤二，负极制备：将锌合金粉体、粘结剂聚四氟乙烯按照质量比9:1进行混合，然后加水稀释，制备成负极浆料，涂布于不锈钢集流体上，120℃烘干，压实，制成负极极片
步骤三，组装电池，将上述步骤一制备的正极片，步骤二制备的负极极片，与电解液、隔膜组装成电池体系。
10.根据权利要求9所述的碱性锌二次电池的制备方法，其特征在于所述导电剂为炭黑、乙炔黑或它们的混合物，所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶中的一种或几种，所述正极集流体为镍网栅、泡沫镍、钛网、不锈钢网、碳布或碳纸。
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