一种基于高活性镍正极的镍锌电池的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于高活性镍正极的镍锌电池的制备方法；将Ni–NiO异质结构纳米泡沫镍置于氯化镍与氧化石墨烯混合悬浮液中冷冻干燥，在NH

A preparation method of nickel zinc battery based on high activity nickel anode

【技术实现步骤摘要】
一种基于高活性镍正极的镍锌电池的制备方法
本专利技术属于储能
，涉及一种基于高活性镍正极的镍锌电池的制备方法。
技术介绍
锌镍电池由锌负极和镍正极组成，是一种新型高性能二次动力电池。基本工作原理为：放电过程中锌负极反应为：镍正极反应为：NiOOH+H2O+e–→Ni(OH)2+OH–锌镍电池具有高工作电压，高能量密度，高功率密度，宽工作温度，无记忆效应，生产及使用过程中无污染产生，是真正的“绿色电池”。并且锌的储量丰富，成本低。锌镍电池已成为继铅酸电池，镍氢电池，镍镉电池，以及锂电池之后，更具低成本且实用的新型绿色电池体系。但是锌镍电池在大规模应用过程中仍面临诸多挑战，主要有：(1)目前实际应用过程中产生的能量密度为75～85Wh/kg，相比其理论能量密度372Wh/kg仍有较大差距。(2)循环性能有限。目前，商业化电极的制备方法主要是通过粘结剂将活性材料(Ni(OH)2)，导电添加剂(炭黑)，其他添加剂等制备成浆料，然后涂覆在泡沫镍基底上，压片制成。该方法存在诸多问题：(1)活性材料与添加剂之间混合不均匀；(2)活性材料与导电基底之间接触不充分，不利于电荷传输；(3)商业电极采用球形Ni(OH)2，粒径较大，存在活性材料暴露不充分并且不利于电荷在活性材料之间的传输。因此会造成电池内阻增加，活性物质利用率低，影响电池的循环性能及能量密度等。目前对于镍正极的改进，主要是通过制备新型Ni(OH)2，例如纳米线，纳米片等。但是电极的制备过程仍是基于传统的物理混合的方法。其电荷传输以及活性材料利用不充分的问题仍然存在。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术中存在的电荷传输以及活性材料利用不充分等问题，提供一种基于单原子镍正极的镍锌电池的制备方法。该方法制备过程简单，通过对泡沫镍表面修饰，制备单原子Ni–NiO异质结构纳米片与碳材料阴极。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：第一方面，本专利技术涉及一种单原子Ni–石墨烯修饰的Ni–NiO异质结构纳米片镍电极的制备方法，所述方法包括如下步骤：S1、将泡沫镍片和Ni–NiO前驱体溶液置于反应釜中，在90～100℃下反应5～7h；取出干燥、在N2气氛中退火处理制得Ni–NiO异质结构纳米泡沫镍片；所述Ni–NiO前驱体溶液包括0.10mol/L～0.30mol/L的H2C2O4·H2O、1～2mol/L六亚甲基四胺以及0.1～0.2mol/LNi(NO3)2·6H2O；S2、将所述Ni–NiO异质结构纳米泡沫镍片置于氯化镍与氧化石墨烯混合悬浮液中，进行冷冻干燥8～10h；所述氯化镍与氧化石墨烯混合悬浮液是在强烈磁力搅拌情况下，每400～600μL浓度为0.5～3mg/mL的氯化镍前驱体溶液加入到20～50μL含氧化石墨烯0.6～1.8mg/mL、尿素0.06～0.15g/mL的氧化石墨烯悬浮液中配制而得；S3、步骤S2中冷冻干燥后的泡沫镍片在NH3和Ar混合气体下700～800℃热处理3～4h，随炉冷却到室温，即得所述单原子Ni–石墨烯修饰的Ni–NiO异质结构纳米片镍电极。步骤S1中，所述泡沫镍片为盐酸活化处理后的泡沫镍。所述活化处理是将泡沫镍片置于2～3mol/L盐酸中，在30～40℃下超声处理5～15min进行活化。活化后采用去离子水清洗泡沫镍片上的盐酸20～40min，干燥备用。步骤S1中，所述干燥的温度为55～65℃。步骤S1中，所述退火处理的温度为300～350℃，时间为2～3h。步骤S2中，所述氧化石墨烯悬浮液是在每30～50mL去离子水溶入30～50mg氧化石墨烯片和3～4g尿素配制而得。具体配制是超声处理至均匀分散体，且所述超声处理的时间为20～40min。作为本专利技术的一个实施方案，所述Ni–NiO前驱体溶液由每10mL1～2mol/L六亚甲基四胺水溶液中溶入0.10～0.40gH2C2O4·H2O后，滴入100mL的0.1～0.2mol/LNi(NO3)2·6H2O中配制而得。作为本专利技术的一个实施方案，所述Ni–NiO前驱体溶液由10mL1～2mol/L六亚甲基四胺水溶液中溶入0.10～0.40gH2C2O4·H2O后，滴入100mL的0.1～0.2mol/LNi(NO3)2·6H2O中配制而得。所述氯化镍与氧化石墨烯混合悬浮液是在强烈磁力搅拌情况下，将400～600μL浓度为0.5～3mg/mL的氯化镍前驱体溶液加入到20～50μL含氧化石墨烯0.6～1.8mg/mL、尿素0.06～0.15g/mL的氧化石墨烯悬浮液中配制而得。其中，所述氧化石墨烯悬浮液是将30～50mg氧化石墨烯片和3～4g尿素溶于30～50mL去离子水配制而得。第二方面，本专利技术涉及一种基于单原子镍正极的镍锌电池的制备方法，所述方法包括如下步骤：A1、采用前述的方法制备单原子Ni–石墨烯修饰的Ni–NiO异质结构纳米片镍电极；A2、以所述单原子Ni–石墨烯修饰的Ni–NiO异质结构纳米片镍电极作为正极，以锌电极作为负极，正负极之间用(PE–PP)隔膜隔开，两电极之间填充电解质，组装即得所述镍锌电池。所述锌电极的制备包括如下步骤：B1、配制含1.5～5g/mL锌和1～3mg/mLBi2O3的前驱体水溶液A，将所述前驱体水溶液A与十二烷基硫酸钠的正癸烷溶液混合，得混合溶液；所述十二烷基硫酸钠的正癸烷溶液中十二烷基硫酸钠的浓度为2～6mg/mL；B2、在每2～4mL所述混合溶液中加入0.3～0.4g羧甲基纤维素钠以及0.4～0.8gPVA，得锌电极浆料；B3、将所述锌电极浆料置于模具中，干燥；在Ar气氛下400～410℃下热处理1.5～2h，随后加热至600～660℃，空气气氛下热处理0.5～1h，制得泡沫状氧化锌；B4、对所述泡沫状氧化锌进行电化学还原处理，在氮气气氛下干燥，制得所述锌电极。步骤B4中，所述电化学还原处理是以5～6mol/LKOH为电解液，在–50mV条件下电化学还原6～10min。所述十二烷基硫酸钠的正癸烷溶液是将每4～6mg十二烷基硫酸钠溶解于1～2mL正癸烷配制而得。作为本专利技术的一个实施方案，所述电解质为ZnO饱和的KOH与LiOH电解质溶液。所述ZnO饱和的KOH与LiOH电解质溶液中KOH的浓度为0.3～0.5g/mL；LiOH的浓度为0.05～0.1g/mL。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1)本专利技术在泡沫镍基底上直接生长活性材料，保证了其充分接触；此外，单原子镍的引入提供了反应位点，改善了电极导电性，有利于离子传输；2)本专利技术采用泡沫锌作为锌负极，具有较大的表面积，有利于电解质的渗入；3)本专利技术将单原子Ni–石墨烯修饰的Ni–NiO异质结构纳米片镍正极与改性后的泡沫锌电极复合，实现了稳定的循环性能。附图说明通过阅读参照以下附图对非本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高活性Ni–石墨烯修饰的Ni–NiO异质结构纳米片镍电极的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：/nS1、将泡沫镍片和Ni–NiO前驱体溶液置于反应釜中，在90～100℃下反应5～7h；取出干燥、在N

【技术特征摘要】
1.一种高活性Ni–石墨烯修饰的Ni–NiO异质结构纳米片镍电极的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、将泡沫镍片和Ni–NiO前驱体溶液置于反应釜中，在90～100℃下反应5～7h；取出干燥、在N2气氛中退火处理制得Ni–NiO异质结构纳米泡沫镍片；
所述Ni–NiO前驱体溶液包括0.10mol/L～0.30mol/L的H2C2O4·H2O、1～2mol/L六亚甲基四胺以及0.1～0.2mol/LNi(NO3)2·6H2O；
S2、将所述Ni–NiO异质结构纳米泡沫镍片置于氯化镍与氧化石墨烯混合悬浮液中，进行冷冻干燥8～10h；
所述氯化镍与氧化石墨烯混合悬浮液是在强烈磁力搅拌情况下，每400～600μL浓度为0.5～3mg/mL的氯化镍前驱体溶液加入到20～50μL含氧化石墨烯0.6～1.8mg/mL、尿素0.06～0.15g/mL的氧化石墨烯悬浮液中配制而得；
S3、步骤S2中冷冻干燥后的泡沫镍片在NH3和Ar混合气体下700～800℃热处理3～4h，随炉冷却到室温，即得所述单原子Ni–石墨烯修饰的Ni–NiO异质结构纳米片镍电极。


2.根据权利要求1所述的单原子Ni–石墨烯修饰的Ni–NiO异质结构纳米片镍电极的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述泡沫镍片为盐酸活化处理后的泡沫镍。


3.根据权利要求2所述的单原子Ni–石墨烯修饰的Ni–NiO异质结构纳米片镍电极的制备方法，其特征在于，所述活化处理是将泡沫镍片置于2～3mol/L盐酸中，在30～40℃下超声处理5～15min进行活化。


4.根据权利要求1所述的单原子Ni–石墨烯修饰的Ni–NiO异质结构纳米片镍电极的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述干燥的温度为55～65℃。


5.根据权利要求1所述的单原子Ni–石墨烯修饰的Ni–NiO异质结构纳米片镍电极的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述退火处理的温度为300～350℃，时间为2～3h。


6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟澄，刘晓瑞，胡文彬，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12