CN111668559A - 一种基于Ti3Al1-xC2正极材料的水系锌离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种基于Ti3Al1‑xC2正极材料的水系锌离子电池，包括：正极、负极、介于两者之间的隔膜以及电解液组成。以母相材料Ti3AlC2为前驱体，在充电过程中Ti3AlC2层间的铝原子Al以铝离子Al3+的形式进入电解液，得到层状结构的Ti3Al1‑xC2材料。本发明的水系锌离子电池首次将Ti3Al1‑xC2材料应用于水系锌离子电池正极材料，具有良好的循环稳定性，且操作简单，在大规模储能方面有广阔的应用前景。

Description

一种基于Ti3Al1-xC2正极材料的水系锌离子电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种基于Ti3Al1-xC2正极材料的水系锌离子电池。
背景技术
由于能源危机和环境污染等问题日趋严重，储能装置的不断发展引起了人们的广泛关注。可充电的水系电池，如水系锌离子电池由于其成本低、环保安全而受到越来越多的关注。由于很难找到适合可逆脱嵌锌离子的水系锌离子电池正极材料，限制了水系锌离子电池的发展。寻找合适的正极材料一直是水系锌离子电池研究的主要方向。
近年来，新型二维剥落型材料MXene由于其独特的层状结构，逐渐引起人们的重视。Ti3Al1-xC2具有类似MXene材料的层状结构，在储能中具有一定发展潜力。然而目前并没有关于Ti3Al1-xC2作为水系锌离子电池正极材料的研究。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于Ti3Al1-xC2正极材料的水系锌离子电池。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于Ti3Al1-xC2正极材料的水系锌离子电池，包括：正极、负极、介于两者之间的隔膜以及电解液组成。所述正极材料以母相材料Ti3AlC2为前驱体，在充电过程中Ti3AlC2层间的铝原子Al以铝离子Al3+的形式进入电解液，得到层状结构的Ti3Al1-xC2材料。所述负极材料是锌箔，所述隔膜是无尘纸或Whatman玻璃微纤维膜；所述电解液是含有锌离子的硫酸盐、盐酸盐或硝酸盐水溶液。
按上述方案，所述的基于Ti3Al1-xC2正极材料的水系锌离子电池，其特征在于：包括Ti3Al1-xC2正极、负极、介于两者之间的隔膜以及电解液组成。
按上述方案，所述的基于Ti3Al1-xC2正极材料的水系锌离子电池，其特征在于，Ti3Al1-xC2正极材料由如下具体步骤制得：
步骤1，首先将母相材料Ti3AlC2：导电剂：粘结剂按质量比为7:2:1称取原料，将Ti3AlC2与导电剂研磨均匀，加入至溶有粘结剂的N-甲基吡咯烷酮溶液中，搅拌成浆料，均匀涂覆于集流体，然后将涂好的极片置于真空烘箱中烘干，冲裁成圆片，作为正极片；
步骤2，将锌箔用金相砂纸打磨，并用酒精冲洗干净，冲裁成圆片，作为负极片；
步骤3，将步骤1制得的正极片与将步骤2制得的负极片加入电解液，同隔膜一起组装，然后进行充放电循环，得到Ti3Al1-xC2正极材料，其中0<x<1。
按上述方案，所述的Ti3Al1-xC2正极材料的制备方法，其特征在于：步骤1所用粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)。
按上述方案，所述的Ti3Al1-xC2正极材料的制备方法，其特征在于：步骤1所用集流体为不锈钢箔、碳布或碳纤维纸。
按上述方案，所述的Ti3Al1-xC2正极材料的制备方法，其特征在于：步骤1所用导电剂为碳纳米管、乙炔黑或导电炭黑。
按上述方案，所述的Ti3Al1-xC2正极材料的制备方法，其特征在于：步骤2所用锌箔的厚度为0.01～0.05mm。
按上述方案，所述的Ti3Al1-xC2正极材料的制备方法，其特征在于：步骤3所用隔膜是无尘纸或Whatman玻璃微纤维膜，直径为16mm。
按上述方案，所述的Ti3Al1-xC2正极材料的制备方法，其特征在于：步骤3所用电解液是含有锌离子的硫酸盐、盐酸盐或硝酸盐水溶液，浓度为1～3mol/L。
按上述方案，所述的Ti3Al1-xC2正极材料的制备方法，其特征在于：步骤3充放电所用电压范围为0.5～1.8V(vs Zn2+/Zn)或0.5～1.9V(vs Zn2+/Zn)。
本发明的相对于现有技术相比具有显著优点为：(1)本发明首次将Ti3Al1-xC2材料应用于水系锌离子电池正极材料；(2)本发明采用母相材料Ti3AlC2在充电过程中，原位形成层状结构的Ti3Al1-xC2，以Ti3Al1-xC2作为正极材料，所组装的电池具有良好的循环性能。(3)发明采用的Ti3Al1-xC2正极材料在充电过程中可直接形成，操作简单且具有较高的安全性。因此，此类水系锌离子电池在大规模储能方面有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1正极材料Ti3Al1-xC2的形成机理图。
图2是本发明实施例1的水系锌离子电池在100mA g-1电流密度下的循环性能曲线图。
图3是本发明实施例1的水系锌离子电池在100mA g-1电流密度下的充放电曲线。
图4是本发明对比例1的水系锌离子电池在100mA g-1电流密度下的循环性能曲线图。
图5是本发明对比例1的水系锌离子电池在100mA g-1电流密度下的充放电曲线。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不限于此。
实施例1
首先按母相材料Ti3AlC2：乙炔黑：粘结剂PVDF质量比为7:2:1称取原料，将Ti3AlC2与乙炔黑研磨均匀，加入溶有粘结剂PVDF的N-甲基吡咯烷酮溶液中，搅拌12h成浆料，均匀涂覆于集流体碳纤维纸上，涂覆层厚度为100μm，然后将涂好的极片置于80℃真空烘箱中烘干24h，并冲裁成直径12mm的正极片。
将厚度为0.01mm的锌箔用金相砂纸打磨，并用酒精冲洗干净，冲裁成直径为12mm的圆片，作为负极片。
2mol/L ZnSO4溶液作为电解液；冲裁Whatman玻璃微纤维膜成为隔膜；将制备的正极片、负极片和隔膜在空气环境中组装好，然后在LAND电池测试***上进行充放电循环测试，工作电压为0.5～1.9V(vs Zn2+/Zn)，最终在正极片上得到Ti3Al1-xC2。正极片上原位形成的Ti3Al1-xC2直接作为正极材料，则得到水系锌离子电池。
实施例2
首先按母相材料Ti3AlC2：导电炭黑：粘结剂PVDF质量比为7:2:1称取原料，将Ti3AlC2与导电炭黑研磨均匀，加入溶有粘结剂PVDF的N-甲基吡咯烷酮溶液中，搅拌12h成浆料，均匀涂覆于集流体不锈钢箔上，涂覆层厚度为150μm，然后将涂好的极片置于80℃真空烘箱中烘干24h，并冲裁成直径12mm的正极片。
将厚度为0.03mm的锌箔用金相砂纸打磨，并用酒精冲洗干净，冲裁成直径为12mm的圆片，作为负极片。
2mol/L ZnCl2溶液作为电解液；冲裁Whatman玻璃微纤维膜成隔膜；将制备的正极片、负极片和隔膜在空气环境中组装好，然后在LAND电池测试***上进行充放电循环测试，工作电压为0.5～1.9V(vs Zn2+/Zn)，最终在正极片上得到Ti3Al1-xC2。正极片上原位形成的Ti3Al1-xC2直接作为正极材料，则得到水系锌离子电池。
实施例3
首先按母相材料Ti3AlC2：乙炔黑：粘结剂PVDF质量比为7:2:1称取原料，将Ti3AlC2与乙炔黑研磨均匀，加入溶有粘结剂PVDF的N-甲基吡咯烷酮溶液中，搅拌12h成浆料，均匀涂覆于集流体碳布上，涂覆层厚度为150μm，然后将涂好的极片置于80℃真空烘箱中烘干24h，并冲裁成直径12mm的正极片。
将厚度为0.05mm的锌箔用金相砂纸打磨，并用酒精冲洗干净，冲裁成直径为12mm的圆片，作为负极片。
2mol/L Zn(NO3)2溶液作为电解液；冲裁Whatman玻璃微纤维膜成隔膜；将制备的正极片、负极片和隔膜在空气环境中组装好，然后在LAND电池测试***上进行充放电循环测试，工作电压为0.5～1.9V(vs Zn2+/Zn)，最终在正极片上得到Ti3Al1-xC2。正极片上原位形成的Ti3Al1-xC2直接作为正极材料，则得到水系锌离子电池。
实施例4
首先按母相材料Ti3AlC2：乙炔黑：粘结剂PVDF质量比为7:2:1称取原料，将Ti3AlC2与乙炔黑研磨均匀，加入溶有粘结剂PVDF的N-甲基吡咯烷酮溶液中，搅拌12h成浆料，均匀涂覆于集流体碳纤维纸上，涂覆层厚度为100μm，然后将涂好的极片置于80℃真空烘箱中烘干24h，并冲裁成直径12mm的正极片。
将厚度为0.01mm的锌箔用金相砂纸打磨，并用酒精冲洗干净，冲裁成直径为12mm的圆片，作为负极片。
2mol/L ZnSO4溶液作为电解液；冲裁无尘纸成隔膜；将制备的正极片、负极片和隔膜在空气环境中组装好，然后在LAND电池测试***上进行充放电循环测试，工作电压为0.5～1.9V(vs Zn2+/Zn)，最终在正极片上得到Ti3Al1-xC2。正极片上原位形成的Ti3Al1-xC2直接作为正极材料，则得到水系锌离子电池。
实施例5
首先按母相材料Ti3AlC2：碳纳米管：粘结剂PTFE质量比为7:2:1称取原料，将Ti3AlC2与碳纳米管研磨均匀，加入溶有粘结剂PTFE的N-甲基吡咯烷酮溶液中，搅拌12h成浆料，均匀涂覆于集流体不锈钢箔上，涂覆层厚度为100μm，然后将涂好的极片置于80℃真空烘箱中烘干24h，并冲裁成直径12mm的正极片。
将厚度为0.03mm的锌箔用金相砂纸打磨，并用酒精冲洗干净，冲裁成直径为12mm的圆片，作为负极片。
2mol/L ZnSO4溶液作为电解液；冲裁无尘纸成隔膜；将制备的正极片、负极片和隔膜在空气环境中组装好，然后在LAND电池测试***上进行充放电循环测试，工作电压为0.5～1.9V(vs Zn2+/Zn)，最终在正极片上得到Ti3Al1-xC2。正极片上原位形成的Ti3Al1-xC2直接作为正极材料，则得到水系锌离子电池。
如图1所示，实施例1正极材料Ti3Al1-xC2的形成机理图。母相材料Ti3AlC2在充电过程中，层间的铝原子Al以铝离子Al3+的形式进入电解液，得到层状结构的Ti3Al1-xC2材料，其中0<x<1。
如图2、图3所示，当工作电压范围是0.5～1.9V，实施例1制备的水系锌离子电池在100mA g-1电流密度下，循环至100圈时电池的比容量为175mAh g-1，表现出优异的电化学性能。且随着循环次数的增加，电池的比容量逐渐上升并趋于平稳，说明在循环过程中，母相材料Ti3AlC2层间的铝原子Al在恒流充电阶段，不断以铝离子Al3+的形式进入电解液。
对比例1
本对比例与实施1基本相同，唯一不同的是将充放电循环工作电压范围改为0.5～1.8V(vs Zn2+/Zn)。如图4、图5所示，当工作电压范围是0.5～1.8V，对比例1制备的水系锌离子电池的比容量(水系锌离子电池在100mA g-1电流密度下，循环至50圈时电池的比容量为9mAh g-1)远不及实施例1制备的水系锌离子电池的比容量(水系锌离子电池在100mA g-1电流密度下，循环至100圈时电池的比容量为175mAh g-1)，说明当工作电压范围是0.5～1.8V时，母相材料Ti3AlC2层间的铝原子Al在恒流充电阶段，很难以铝离子Al3+的形式进入电解液。
对比例2
本对比例与实施4基本相同，唯一不同的是将充放电循环工作电压范围改为0.5～1.8V(vs Zn2+/Zn)。

Claims (9)

1.一种基于Ti3Al1-xC2正极材料的水系锌离子电池，其特征在于：包括Ti3Al1-xC2正极、负极、介于两者之间的隔膜以及电解液组成；Ti3Al1-xC2正极材料为：
以母相材料Ti3AlC2为前驱体，在充电过程中Ti3AlC2层间的铝原子Al以铝离子Al3+的形式进入电解液，得到层状结构的Ti3Al1-xC2材料。
2.根据权利要求1所述的基于Ti3Al1-xC2正极材料的水系锌离子电池，其特征在于，Ti3Al1-xC2正极材料由如下具体步骤制得：
步骤1，首先将母相材料Ti3AlC2：导电剂：粘结剂按质量比为7:2:1称取原料，将Ti3AlC2与导电剂研磨均匀，加入至溶有粘结剂的N-甲基吡咯烷酮溶液中，搅拌成浆料，均匀涂覆于集流体，然后将涂好的极片置于真空烘箱中烘干，冲裁成圆片，作为正极片；
步骤2，将锌箔用金相砂纸打磨，并用酒精冲洗干净，冲裁成圆片，作为负极片；
步骤3，将步骤1制得的正极片与将步骤2制得的负极片加入电解液，同隔膜一起组装，然后进行充放电循环，原位得到Ti3Al1-xC2正极材料，其中0<x<1。
3.根据权利要求2所述的Ti3Al1-xC2正极材料的制备方法，其特征在于：步骤1中，所述的粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)。
4.根据权利要求2所述的Ti3Al1-xC2正极材料的制备方法，其特征在于：步骤1中，所述的集流体为不锈钢箔、碳布或碳纤维纸。
5.根据权利要求2所述的Ti3Al1-xC2正极材料的制备方法，其特征在于：步骤1中，所述的导电剂为碳纳米管、乙炔黑或导电炭黑。
6.根据权利要求2所述的Ti3Al1-xC2正极材料的制备方法，其特征在于：步骤2中，所述的锌箔的厚度为0.01～0.05mm。
7.根据权利要求2所述的Ti3Al1-xC2正极材料的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述的隔膜是无尘纸或Whatman玻璃微纤维膜，直径为16mm。
8.根据权利要求2所述的Ti3Al1-xC2正极材料的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述的电解液是含有锌离子的硫酸盐、盐酸盐或硝酸盐水溶液，浓度为1～3mol/L。
9.根据权利要求2所述的Ti3Al1-xC2正极材料的制备方法，其特征在于：步骤3中，充放电所用电压范围为0.5～1.8V(vs Zn2+/Zn)或0.5～1.9V(vs Zn2+/Zn)。
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