用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料及制备方法和应用与流程

本发明涉及锌离子电池，尤其涉及一种用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料及制备方法和应用。

背景技术：

1、以水基电解质为基础的锌离子电池在价格、性能和安全性上具有巨大的优势，是目前锂离子电池系统的一个有前途的替代品。开发可充电水系锌离子电池的尝试可以追溯到20世纪80年代。自2015年以来，这一领域的研究活动在全球范围内激增。尽管到目前为止在锌离子电池的电极材料的探索上取得了成就，但仍无法满足商业要求。

2、水系锌离子电池在充放电过程中，锌的沉积发生在锌金属表面，不均匀的沉积导致锌枝晶的产生，该枝晶会穿破隔膜造成电池短路。锌在水性电解液中不稳定，会发生析氢反应，造成电池的膨胀甚至破裂，有严重的安全隐患。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料及制备方法和应用。与现有技术相比，本发明的用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料将纳米锌均匀分散在多孔碳基质中，避免了其与电解液的直接接触，减小了析氢反应的产生。同时锌由于均匀分散在多孔碳基质中，利用孔道的导向作用，改善锌负极的界面性质，使其能够实现均匀沉积。同时金属的掺杂，可以增加材料整体的导电性，进一步促进锌的均匀沉积，避免了锌枝晶的产生。

2、为此，第一方面，本发明实施例提供了一种用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料包括：碳基质、纳米锌、掺杂金属以及碳壳；

3、所述碳基质为具有贯穿孔的碳材料，用以沉积纳米锌；所述碳基质在金属掺杂锌负极材料中的质量含量为30％-70％；

4、所述纳米锌通过电弧等离子体法制备，并沉积在具有贯穿孔的碳材料中；所述纳米锌在金属掺杂锌负极材料中的质量含量为20％-60％；

5、所述掺杂金属由含mg、ca、al、mn、ni或ti任一元素的物质中的一种或多种通过电弧离子体的方法沉积在具有网状贯穿孔的多孔碳微球中形成掺杂；所述掺杂金属在碳基质在金属掺杂锌负极材料的质量含量为1％-10％；

6、所述碳壳为通过液相法、气相法或者固相法制得的一层外壳，在金属掺杂锌负极材料的质量含量为1％-20％；

7、所述用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料的粒径在1μm-100μm之间。

8、优选的，所述具有贯穿孔的碳材料的孔隙的平均孔径在0.1nm-60nm之间，比表面积为1000-2000m2/g。

9、优选的，所述具有贯穿孔的碳材料具体为具有网状贯穿孔的多孔碳微球；所述网状贯穿孔的平均孔径在0.1nm-50nm之间。

10、第二方面，本发明实施例提供了一种用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料的制备方法，所述制备方法包括：

11、将具有贯穿孔的碳材料置于电弧等离子体设备的冷凝区，将锌源及含掺杂元素的物质按照质量比1:0.1-1:1置于电弧等离子体设备的高温区；所述掺杂元素包括：mg、ca、al、mn、ni或ti任一种；

12、向所述电弧等离子体设备通入保护气置换空气；

13、开启所述电弧等离子体设备的等离子体发生器，电离工作气体形成等离子体，使得锌源及含掺杂元素的物质气化、解离，形成气态锌与含掺杂元素的气态化合物，并通过载气带入到冷凝区，使所述气态锌与含掺杂元素的气态化合物沉积到具有贯穿孔的碳材料的孔隙中成核并生长至纳米尺寸；

14、再通过气相包覆、液相包覆、固相包覆中的至少一种方式，对所述复合结构进行碳包覆，得到所述用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料。

15、优选的，所述锌源包括：金属锌单质、氧化锌、氢氧化锌、硫酸锌、硝酸锌或氯化锌中的一种或多种。

16、优选的，所述含掺杂元素的物质包括：

17、含mg元素的物质，包括：金属镁单质、氧化镁或氯化镁中的一种或多种；

18、含ca元素的物质，包括：氧化钙、氢氧化钙或氯化钙中的一种或多种；

19、含al元素的物质，包括：金属铝单质、氧化铝或氯化铝中的一种或多种；

20、含mn元素的物质，包括：氧化锰、氢氧化锰或氯化锰中的一种或多种；

21、含ni元素的物质，包括：金属镍单质、氧化镍、氢氧化镍或氯化镍中的一种或多种；

22、含ti元素的物质包括：金属钛单质、氧化钛、氢氧化钛或氯化钛中的一种或多种。

23、优选的，所述掺杂元素mg、ca、al、mn、ni或ti在金属掺杂锌负极材料中均匀分布。

24、第三方面，本发明实施例提供了一种用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料的用途，所述用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料用于锂离子电池的负极材料。

25、第四方面，本发明实施例提供了一种用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料的锂离子电池。

26、本发明实施例提供的用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料，将纳米锌均匀分散在多孔碳基质中，避免了其与电解液的直接接触，减小了析氢反应的产生。同时锌由于均匀分散在多孔碳基质中，利用孔道的导向作用，改善锌负极的界面性质，使其能够实现均匀沉积。同时金属的掺杂，可以增加材料整体的导电性，进一步促进锌的均匀沉积，避免了锌枝晶的产生。

27、本发明提供的复合负极材料可用于液态、半固态、准固态、全固态电解质锌离子电池中。

技术特征：

1.一种用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料，其特征在于，所述金属掺杂锌负极材料包括：碳基质、纳米锌、掺杂金属以及碳壳；

2.根据权利要求1所述的用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料，其特征在于，所述具有贯穿孔的碳材料的孔隙的平均孔径在0.1nm-60nm之间，比表面积为1000-2000m2/g。

3.根据权利要求1所述的用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料，其特征在于，所述具有贯穿孔的碳材料具体为具有网状贯穿孔的多孔碳微球；所述网状贯穿孔的平均孔径在0.1nm-50nm之间。

4.一种上述权利要求1-3任一所述的用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述锌源包括：金属锌单质、氧化锌、氢氧化锌、硫酸锌、硝酸锌或氯化锌中的一种或多种。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述含掺杂元素的物质包括：

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述掺杂元素mg、ca、al、mn、ni或ti在金属掺杂锌负极材料中均匀分布。

8.一种上述权利要求1-3任一所述的用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料的用途，其特征在于，所述用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料用于锂离子电池的负极材料。

9.一种包括上述权利要求1-3任一所述的用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料的锂离子电池。

技术总结
本发明实施例涉及一种用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料及制备方法和应用。金属掺杂锌负极材料包括：碳基质、纳米锌、掺杂金属以及碳壳；碳基质为具有贯穿孔的碳材料，用以沉积纳米锌；纳米锌通过电弧等离子体法制备，并沉积在具有贯穿孔的多孔碳微球中；掺杂金属由含Mg、Ca、Al、Mn、N i或T i任一元素的物质中的一种或多种通过电弧离子体的方法沉积在具有网状贯穿孔的多孔碳微球中形成掺杂；碳壳为通过液相法、气相法或者固相法制得的一层外壳；用于锌离子电池的金属掺杂锌负极材料的粒径在1μm‑100μm之间。

技术研发人员：邵金,刘柏男,罗飞
受保护的技术使用者：溧阳天目先导电池材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16