一种正极材料、正极极片、水系锌离子电池及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种正极材料、正极极片、水系锌离子电池及其制备方法。该正极材料的制备方法包括如下步骤：1)在惰性气体气氛下，将1,4,5,8-萘四甲酸酐与氨水进行缩合反应，获得固体悬浮物；2)将所述固体悬浮物分离、洗涤并干燥，获得所述正极材料。该正极材料为1,4,5,8-萘四甲酰二亚胺，表面形貌为颗粒堆叠成交织连续多孔网状。本发明专利技术使用富含羰基活性位点的1,4,5,8-萘四甲酰二亚胺作为正极材料，可以通过锌离子与羰基的烯醇化反应实现高度可逆的锌离子存储，与过渡金属无机正极材料相比，酰亚胺来源广泛，易于制备，活性位点多，理论比容量大，减少对不可再生过渡金属的使用，更绿色环保，符合可持续发展的理念。符合可持续发展的理念。

【技术实现步骤摘要】
一种正极材料、正极极片、水系锌离子电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于储能
，尤其涉及一种正极材料、正极极片、水系锌离子电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着人类社会的高速发展，包括风能，太阳能，核能在内的可再生清洁能源逐渐成为电力系统的主要能源供应，为获得稳定的电力供应，储能设备的需求日益增加。其中锂离子电池经过近三十年的发展已成为目前混合动力汽车、移动电子设备和非高峰储能的首选储能装置，支撑着现代社会高度的信息化和数字化。新能源汽车发展的不断壮大，意味着未来社会对大规模储能设备的需求日益增加，而锂离子电池自身的局限性制约了其在未来大规模储能领域中的应用前景。目前应用于新能源汽车的锂离子电池正极材料主要为三元体系，材料中主要成分锂、钴等金属资源在大自然中储量少，导致锂离子电池一方面存在一定的安全隐患，另一方面在实际应用中成本较高难以满足未来持续发展的市场需求。针对解决上述锂离子电池存在的固有缺陷问题，研究和探索更安全、更环保、更经济的新型二次电池体系势在必行。
[0003]水系锌离子电池是一种极具前景的绿色环保新型二次电池体系，其主要优势主要有：具有较高的能量密度和功率密度，其功率密度最高可达12KW kg-1
，能量密度最高可达320Wh kg-1
，为超级电容器的15倍左右。使用锌金属作为负极，具有高的理论体积比容量(5854mAh cm-3
)和低的标准还原电势(-0.76V)。此外，锌在地球中储量丰富，化学性质稳定，作为电池负极材料可在空气中组装电池，降低电池的制备工艺难度以及生产成本。水系锌离子电池的电解液以水为溶剂，与有机电解液体系相比，具有安全环保的优势，在电池的生产及应用过程中，不产生污染物，属于绿色环保电池。
[0004]水系锌离子电池发展的瓶颈主要是缺少适合锌离子可逆嵌入/脱出的正极材料，目前已报道的正极材料大多为过渡金属无机材料，但过渡金属资源有限，往往含有毒性，不利于未来大规模生产。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种正极材料、正极极片、水系锌离子电池及其制备方法，减少对不可再生过渡金属的使用，实现高度可逆的锌离子存储。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]本专利技术第一方面提供一种正极材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0008]1)在惰性气体气氛下，将1,4,5,8-萘四甲酸酐(CAS NO：81-30-1)与氨水进行缩合反应，获得固体悬浮物；
[0009]2)将所述固体悬浮物分离、洗涤并干燥，获得所述正极材料。
[0010]优选地，还包括如下技术特征中的至少一项：
[0011]1)步骤1)中，所述惰性气体选自氮气和氩气中的至少一种；
[0012]2)步骤1)中，氨水的浓度为25wt％～28wt％；
[0013]3)步骤1)中，1,4,5,8-萘四甲酸酐与氨水的摩尔比为(5～20):100；
[0014]4)步骤2)中，干燥温度为50℃～80℃。
[0015]本专利技术第二方面提供一种正极材料，采用上述制备方法获得。
[0016]优选地，还包括如下技术特征中的至少一项：
[0017]1)所述正极材料为1,4,5,8-萘四甲酰二亚胺(CAS NO：5690-24-4)，表面形貌为颗粒堆叠成交织连续多孔网状；
[0018]2)所述正极材料的颗粒大小为50nm～500nm；
[0019]3)所述正极材料的孔隙大小为50nm～100nm。
[0020]本专利技术第三方面提供一种正极极片，包括正极集流体及涂覆于所述正极集流体表面的正极浆料；所述正极浆料包括上述正极材料、导电剂、粘结剂和溶剂。
[0021]优选地，还包括如下技术特征中的至少一项：
[0022]1)以所述正极材料、所述导电剂和所述粘结剂为总质量计，所述正极材料的质量百分比为25％～90％；
[0023]2)以所述正极材料、所述导电剂和所述粘结剂为总质量计，所述导电剂的质量百分比为10％～70％；
[0024]3)以所述正极材料、所述导电剂和所述粘结剂为总质量计，所述粘结剂的质量百分比为5％～20％；
[0025]4)所述粘结剂的质量与所述溶剂的体积比为1mg/20μL～1mg/60μL；
[0026]5)所述导电剂选自乙炔黑、科琴黑、Super P、石墨和碳纳米管中的至少一种；
[0027]6)所述粘结剂选自聚丙烯酸、聚乙烯醇和聚偏氟乙烯中的至少一种；
[0028]7)所述正极集流体选自碳纸、钛箔和不锈钢网中的至少一种；
[0029]8)所述溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺和水中的至少一种。
[0030]本专利技术第四方面提供上述正极极片的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0031]1)将正极材料、导电剂、粘结剂和溶剂混合均匀，获得所述正极浆料；
[0032]2)将所述正极浆料涂覆于所述正极集流体表面上并烘干，即获得所述正极极片。
[0033]本专利技术第五方面提供一种水系锌离子电池，所述水系锌离子电池包括正极极片，所述正极极片为上述正极极片。
[0034]优选地，所述水系锌离子电池包括水性电解液，所述水性电解液包括水溶性锌盐和水。
[0035]更优选地，还包括如下技术特征中的至少一项：
[0036]1)所述锌盐选自七水合硫酸锌、硝酸锌、三氟甲烷磺酸锌和氯化锌中的至少一种；
[0037]2)所述水溶性锌盐的浓度为0.1mol/L～3mol/L；
[0038]3)所述水性电解液还包括硫酸钠，所述硫酸钠的浓度为0.5mol/L～1mol/L。硫酸钠抑制水系锌离子电池在循环过程中锌枝晶生长，从而改善电池倍率性能和长循环性能，水系锌离子电池具有良好的循环稳定性。
[0039]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果中的至少一项：
[0040]1)本专利技术使用富含羰基活性位点的1,4,5,8-萘四甲酰二亚胺作为正极材料，可以通过锌离子与羰基的烯醇化反应实现高度可逆的锌离子存储，与过渡金属无机正极材料相
比，酰亚胺来源广泛，易于制备，活性位点多，理论比容量大，减少对不可再生过渡金属的使用，更绿色环保，符合可持续发展的理念。
[0041]2)本专利技术使用水性的电解液，与锂离子电池的有机电解液相比，水性电解液无毒，价廉且不易燃，具有更绿色环保以及安全更好的特点。并且电解液中添加硫酸钠可以有效地抑制锌枝晶的生长。
[0042]3)本专利技术水系锌离子电池具有优异的倍率性能，既可实现在大电流密度下快速放电，也可在小电流密度下慢速放电，并且可在大电流密度下实现超长循环稳定性。
附图说明
[0043]图1为正极材料1,4,5,8-萘四甲酰二亚胺的合成路线示意图。
[0044]图2为本专利技术中正极材料1,4,5,8-萘四甲酰二亚胺的傅里叶红外光谱图。
[0045]图3为本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：1)在惰性气体气氛下，将1,4,5,8-萘四甲酸酐与氨水进行缩合反应，获得固体悬浮物；2)将所述固体悬浮物分离、洗涤并干燥，获得所述正极材料。2.如权利要求1所述的正极材料的制备方法，其特征在于，还包括如下技术特征中的至少一项：1)步骤1)中，所述惰性气体选自氮气和氩气中的至少一种；2)步骤1)中，氨水的浓度为25wt％～28wt％；3)步骤1)中，1,4,5,8-萘四甲酸酐与氨水的摩尔比为(5～20):100；4)步骤2)中，干燥温度为50℃～80℃。3.一种正极材料，其特征在于，采用权利要求1或2所述的制备方法获得。4.如权利要求3所述的正极材料，其特征在于，还包括如下技术特征中的至少一项：1)所述正极材料为1,4,5,8-萘四甲酰二亚胺，表面形貌为颗粒堆叠成交织连续多孔网状；2)所述正极材料的颗粒大小为50nm～500nm；3)所述正极材料的孔隙大小为50nm～100nm。5.一种正极极片，其特征在于，包括正极集流体及涂覆于所述正极集流体表面的正极浆料；所述正极浆料包括权利要求3或4所述的正极材料、导电剂、粘结剂和溶剂。6.如权利要求5所述的正极极片，其特征在于，还包括如下技术特征中的至少一项：1)以所述正极材料、所述导电剂和所述粘结剂为总质量计，所述正极材料的质量百分比为25％～90％；2)以所述正极材料、所述导电剂和所述粘结剂为总质量计，所述导电...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄可贤，李驰麟，尹东光，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：