CN113054263A - 一种锌离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种锌离子电池，包括正极、隔膜、负极和水性电解质，正极包括锌箔和正极活性材料，正极活性材料包括石墨烯层或者PEDOT：PSS/石墨烯层，正极活性材料的厚度为1‑50μm；石墨烯层包括石墨烯和PVDF；石墨烯和PVDF的重量比为8:1‑2:1。在本发明中，通过石墨烯片或者用PEDOT：PSS修饰的石墨烯片组成的纳米流体通道层对锌（Zn）正极进行有效的界面优化；能够有效的调节了锌离子的分布密度，抑制了枝晶的生长。同时本发明中，用PEDOT：PSS修饰的石墨烯片组成的正极活性材料电导率高；并且本发明中的锌离子电池的循环性能好。

Description

一种锌离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种锌离子电池，尤其涉及一种无枝晶或者枝晶少的正极的锌离子电池及其制备方法。
背景技术
与目前的商用锂离子电池（LIB）相比，水性锌离子电池（ZIB）对于网格级电池技术更可行。用于ZIB的锌（Zn）金属正极具有相对较高的能量价格比，良好的导电性，合适的氧化还原电势和较高的水相容性。此外，在ZIBs中采用水性电解质而不是使用有机电解质可以显着提高操作安全性并降低生产成本。然而，由于明显的缺点，如枝晶生长，自放电问题和副反应，锌阳极在中性电解质中的实际性能受到严重限制。具体来说，连续的枝晶生长会因刺穿隔板而引起短路，从而导致容量快速衰减。结果，ZIBs的当前寿命远未达到可接受的标准。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种无枝晶或者枝晶少的正极的锌离子电池及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种锌离子电池，包括正极、隔膜、负极和水性电解质，所述正极包括锌箔和正极活性材料，所述正极活性材料包括石墨烯层或者PEDOT：PSS /石墨烯层，正极活性材料的厚度为1-50μm；所述石墨烯层包括石墨烯和PVDF；所述石墨烯和PVDF的重量比为8:1-2:1。
上述的锌离子电池，优选的；所述PEDOT：PSS /石墨烯层包括PEDOT：PSS /石墨烯和PVDF，所述PEDOT：PSS /石墨烯和PVDF的重量比为2:1以上。
上述的锌离子电池，优选的；所述负极包括集流体和负极活性材料，所述负极活性材料包括二氧化锰和钛酸盐ATiO3按质量比100∶1～10制得的混合物，所述ATiO3中的A为Mg、Ca或Pb。
上述的锌离子电池，优选的；所述水性电解液是以锌的可溶性盐为溶质、水为溶剂并具有离子导电性的液态或凝胶态材料，pH介于3～7之间。
一种如上述的锌离子电池的制备方法，包括以下步骤，
1）石墨烯片的制备；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
在两电极***中，将石墨烯薄片作为工作电极；两电极在电解质中保持1-2cm；向石墨烯片作为的工作电极上施加10V的直流电压；
Figure 814927DEST_PATH_IMAGE002
收集石墨烯薄片上剥落到电解液中的产物，并用去离子水洗涤；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
用超声振动的形式将步骤
Figure 463952DEST_PATH_IMAGE002
得到的石墨烯粉末分散在去离子水中形成悬浮液；
Figure 982789DEST_PATH_IMAGE004
离心悬浮液，离心后收集上清液，并在冷冻干燥机中干燥，去除厚的石墨烯片；得到石墨烯片；
2）将步骤1得到的石墨烯片和PVDF以重量比为8:1-2:1在N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂中混合来制备均匀的浆料；
3）将步骤2）得到的浆料涂在锌箔上，然后在60℃以下的温度中干燥，步骤2）得到的浆料涂在锌箔上的厚度为1-50μm；得到正极；
4）将步骤3）得到的正极和负极以及电解液一起组装成电池。
上述的锌离子电池的制备方法，优选的，所述步骤1）的
Figure 255639DEST_PATH_IMAGE001
中的电解质为（NH4）2SO4水溶液，浓度为0.01-0.05g/mL。
上述的锌离子电池的制备方法，优选的，所述电解质中加入有PEDOT：PSS；PEDOT：PSS的浓度为 0.5-1g/mL。
上述的锌离子电池的制备方法，优选的，所述负极包括集流体和负极活性材料，所述负极活性材料包括二氧化锰和钛酸盐ATiO3按质量比100∶1～10制得的混合物，所述ATiO3中的A为Mg、Ca或Pb。
上述的锌离子电池的制备方法，优选的，所述电解液为电解液是以锌的可溶性盐为溶质、水为溶剂并具有离子导电性的液态或凝胶态材料，pH介于3～7之间；所述锌的可溶性盐为硝酸锌、硫酸锌或氯化锌。
与现有技术相比，本发明的优点在于：在本发明中，通过石墨烯片或者用PEDOT：PSS修饰的石墨烯片组成的纳米流体通道层对锌正极进行有效的界面优化；能够有效的调节了锌离子的分布密度，抑制了枝晶的生长。同时本发明中，用PEDOT：PSS修饰的石墨烯片组成的正极活性材料电导率高；并且本发明中的锌离子电池的循环性能好。
附图说明
图1为实施例1、实施例2和对比例1的锌离子电池的循环寿命图。
图2 为实施例1的正极的SEM图。
图3为实施例2的正极的SEM图。
图4为对比例1的正极的SEM图。
图5为实施例1、实施例2和对比例1在200mA/g的电流密度下300个循环下的比容量测试图。
图6为实施例1和实施例2在1A/g的电流密度下8000个循环下的比容量测试图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
实施例1
一种锌离子电池，包括正极、隔膜、负极和水性电解质，正极包括锌箔和正极活性材料，正极活性材料为PEDOT：PSS /石墨烯层，正极活性材料的厚度为10μm；PEDOT：PSS /石墨烯层包括PEDOT：PSS /石墨烯和PVDF，PEDOT：PSS /石墨烯和PVDF的重量比为8:1以上。在本实施例中，由于PEDOT：PSS本身会有一定的粘度，所以PVDF的含量可以进一步的降低，甚至不需要使用，只要PEDOT：PSS /石墨烯能够稳固的粘在锌箔上即可。
在本实施例中，负极包括集流体和负极活性材料，所述负极活性材料包括二氧化锰和钛酸盐ATiO3按质量比100∶1～10制得的混合物，所述ATiO3中的A为Mg、Ca或Pb。电解液为水性电解液，是以锌的可溶性盐为溶质、水为溶剂并具有离子导电性的液态或凝胶态材料，pH介于3～7之间。锌的可溶性盐为硝酸锌、硫酸锌或氯化锌。
本实施例还提供了一种锌离子电池的制备方法，包括以下步骤，
1）石墨烯片的制备；
Figure 420779DEST_PATH_IMAGE001
在两电极***中，将石墨烯薄片作为工作电极；两电极在电解质中保持1-2cm；向石墨烯片作为的工作电极上施加10V的直流电压；电解质为（NH4）2SO4水溶液，浓度为0.01-0.05g/mL。在电解质中还加入有PEDOT：PSS；PEDOT：PSS的浓度为 0.5-1g/mL。作为工作电极的石墨烯薄片的尺寸为80×20×0.5 mm；当然其他的尺寸也是可以的。
Figure 496663DEST_PATH_IMAGE002
收集石墨烯薄片上剥落到电解液中的产物，并用去离子水洗涤；
Figure 932324DEST_PATH_IMAGE003
用超声振动的形式将步骤
Figure 641654DEST_PATH_IMAGE002
得到的石墨烯粉末分散在去离子水中形成悬浮液；
Figure 529975DEST_PATH_IMAGE004
离心悬浮液，离心后收集上清液，并在冷冻干燥机中干燥，去除厚的石墨烯片；得到石墨烯片；
2）将步骤1得到的石墨烯片和PVDF以重量比为8:1在N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂中混合来制备均匀的浆料；
3）将步骤2）得到的浆料涂在锌箔上，然后在60℃以下的温度中干燥，步骤2）得到的浆料涂在锌箔上的厚度为1-50μm；得到正极；
4）将步骤3）得到的正极和负极以及电解液一起组装成电池。
实施例2
在本实施例中，正极活性材料为石墨烯层，在制备的时候，就是在步骤1石墨烯片的制备的
Figure 786382DEST_PATH_IMAGE001
中，在电解质中不加入PEDOT：PSS；同时在步骤2）中，石墨烯片和PVDF以重量比为4:1在N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂中混合；这是因为本实施例的石墨烯片中没有PEDOT：PSS，所以需要加大PVDF的用量。其他的与实施例1相同。
对比例1
在对比例1中，正极由锌箔和正极活性材料组成，正极活性材料由PVDF作为粘结剂，导电剂和二氧化锰粉末；在对比例1中将正极活性材料混合均匀后涂覆在锌箔上；二氧化锰粉末和粘结剂以及导电剂的重量比为8:1:1；导电剂可以是导电石墨。其他与实施例1相同。
如图1所示，实施例1中的电池的循环寿命达到500小时，而实施例2的电池的循环寿命为320小时，均高于对比例1的电池的循环寿命的126小时。通过将对比例1的电池的拆解，在不规则的正极表面出现负极的锌离子；同时不规则的正极表面出现的感应尖端电场也是影响寿命的因数。
在实施例1中，通过PEDOT:PSS，增加了正极活性材料的电导率，从而有效的抑制了极化速率，并最终延长了重复镀锌/剥离工艺的寿命。组件电化学工作站，也就是模拟电池的循环过程，正极、负极分别采用实施例1、实施例2和对比例1的正极和负极，电解液与实施例1相同，经过50个循环后，检查正极的SEM图像。如图4所示，在对比例1的正极上检测到大量的片状Zn树枝状晶体；而在图2和图3上没有检测到，这种因为实施例1和实施例2建立的正极活性材料层强烈耐受枝晶的形成并抑制了锌的腐蚀。
在实施例1和实施例2中，石墨烯层的存在，给锌离子的传输提供了通道，当然这种通道是具有尺寸的，在锌离子传输的时候，由于石墨烯层的存在使得锌离子的传输更加的相对均匀。由于PEDOT:PSS的存在，在开始的时候实施例1中的正极活性材料的锌离子渗透会比实施例2快，但是随后，实施例1会变得比实施例2慢，这是因为在实施例1中的正极活性材料中，PEDOT：PSS / 石墨烯层的表面具有比单纯的石墨烯层更高的负离子基团（磺酸基和羟基），在初始阶段可以更快地吸收Zn离子。但是被吸引的Zn离子阻碍了随后的离子传输，并导致缓慢的离子渗透性能。这也是为什么实施例1的锌离子电池的循环寿命比实施例2的锌离子电池的循环寿命要长的原因。
同时，在实施例1和实施例2中，正极活性材料层通过防止Zn金属与水或溶解的O2的直接接触而成功地抑制了界面副反应，从而改善了循环性能。在实施例1中，通过PEDOT:PSS能够提高正极活性材料的电导率。
如图5所示，对比例中在200mA/g的电流密度下，经过300个循环后电容量下降的比较厉害。如图6所示，在1A/g的电流密度下，经过8000个循环后，对比例1还能够保持好的电容量，但是实施例2的电容量保持不如实施例1。
在实施例1中，通过石墨烯片或者用PEDOT：PSS修饰的石墨烯片组成的纳米流体通道层对锌（Zn）正极进行有效的界面优化；能够有效的调节了锌离子的分布密度，抑制了枝晶的生长。同时本发明中，用PEDOT：PSS修饰的石墨烯片组成的正极活性材料电导率高；并且本发明中的锌离子电池的循环性能好。

Claims (9)

1.一种锌离子电池，其特征在于：包括正极、隔膜、负极和水性电解质，所述正极包括锌箔和正极活性材料，所述正极活性材料包括石墨烯层或者PEDOT：PSS /石墨烯层，正极活性材料的厚度为1-50μm；所述石墨烯层包括石墨烯和PVDF；所述石墨烯和PVDF的重量比为8:1-2:1。
2.根据权利要求1的锌离子电池，其特征在于：所述PEDOT：PSS /石墨烯层包括PEDOT：PSS /石墨烯和PVDF，所述PEDOT：PSS /石墨烯和PVDF的重量比为2:1以上。
3.根据权利要求1或2所述的锌离子电池，其特征在于：所述负极包括集流体和负极活性材料，所述负极活性材料包括二氧化锰和钛酸盐ATiO3按质量比100∶1～10制得的混合物，所述ATiO3中的A为Mg、Ca或Pb。
4.根据权利要求1或2所述的锌离子电池，其特征在于：所述水性电解液是以锌的可溶性盐为溶质、水为溶剂并具有离子导电性的液态或凝胶态材料，pH介于3～7之间。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的锌离子电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
1）石墨烯片的制备；
Figure DEST_PATH_IMAGE001
在两电极***中，将石墨烯薄片作为工作电极；两电极在电解质中保持1-2cm；向石墨烯片作为的工作电极上施加10V的直流电压；
Figure 450321DEST_PATH_IMAGE002
收集石墨烯薄片上剥落到电解液中的产物，并用去离子水洗涤；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
用超声振动的形式将步骤
Figure 734803DEST_PATH_IMAGE002
得到的石墨烯粉末分散在去离子水中形成悬浮液；
Figure 959986DEST_PATH_IMAGE004
离心悬浮液，离心后收集上清液，并在冷冻干燥机中干燥，去除厚的石墨烯片；得到石墨烯片；
2）将步骤1得到的石墨烯片和PVDF以重量比为8:1-2:1在N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂中混合来制备均匀的浆料；
3）将步骤2）得到的浆料涂在锌箔上，然后在60℃以下的温度中干燥，步骤2）得到的浆料涂在锌箔上的厚度为1-50μm；得到正极；
4）将步骤3）得到的正极和负极以及电解液一起组装成电池。
6.根据权利要求5所述的锌离子电池的制备方法，其特征在于：所述步骤1）的
Figure 265196DEST_PATH_IMAGE001
中的电解质为（NH4）2SO4水溶液，浓度为0.01-0.05g/mL。
7.根据权利要求6所述的锌离子电池的制备方法，其特征在于：所述电解质中加入有PEDOT：PSS；PEDOT：PSS的浓度为 0.5-1g/mL。
8.根据权利要求5所述的锌离子电池的制备方法，其特征在于：所述负极包括集流体和负极活性材料，所述负极活性材料包括二氧化锰和钛酸盐ATiO3按质量比100∶1～10制得的混合物，所述ATiO3中的A为Mg、Ca或Pb。
9.根据权利要求5所述的锌离子电池的制备方法，其特征在于：所述电解液为电解液是以锌的可溶性盐为溶质、水为溶剂并具有离子导电性的液态或凝胶态材料，pH介于3～7之间；所述锌的可溶性盐为硝酸锌、硫酸锌或氯化锌。
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