三维纳米阵列锌负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供三维纳米阵列锌负极材料及其制备方法和应用，涉及锌负极材料技术领域。三维纳米阵列锌负极材料，包括泡沫铜基底、CuO纳米线阵列和金属锌纳米片，所述CuO纳米线阵列均匀生长在泡沫铜基底上，所述金属锌纳米片均匀包覆在CuO纳米线的外表面，三维纳米阵列锌负极材料能够抑制ZIBs在充放电过程中锌负极枝晶生长，具有优异的电化学性能。具有优异的电化学性能。具有优异的电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
三维纳米阵列锌负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锌负极材料
，具体涉及一种三维纳米阵列锌负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着经济的发展，电能已经成为人们生活中不可缺少的一种物质。利用风能、太阳能、潮汐能发电能够极大地减少二氧化碳等温室气体排放，因此，把风能、太阳能、潮汐能转换成电能已成为经济绿色型新产业，但是风能、太阳能、潮汐能因受大自然的影响具有不可控性，因此利用风能、太阳能、潮汐能发电的电网具有不稳定性。而大规模储能系统(ESS)，作为一种有效的中间装置，在融入电力系统之前先把风能、太阳能、潮汐能产生的电能储存起来，再对输出进行调节能够提高电网的可靠性。
[0003]储能系统的构成离不开储能装置。水系可充电锌离子电池(ZIBs)具有不易燃、环保、资源丰富、成本低廉等优点，是一种很好的储能装置。水系锌离子电池(AZIBs)的锌阳极理论容量为820mAh g
‑1，电化学电位较低，与标准氢电极相比为
‑
0.76V，其安全的水系电解液和丰富的天然资源能够满足大规模ESS的要求。
[0004]但是，ZIBs在充放电过程中，因为锌沉积不均匀，导致锌负极容易发生锌枝晶生长的问题，不仅降低了ZIBs的电化学可逆性，还会导致短路。因此，提供一种能够抑制锌枝晶生长的锌负极材料成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0005](一)解决的技术问题
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种三维纳米阵列锌负极材料及其制备方法和应用，解决了ZIBs在充放电过程中锌负极容易发生枝晶生长的问题。
[0007](二)技术方案
[0008]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：
[0009]一种三维纳米阵列锌负极材料，包括泡沫铜基底、CuO纳米线阵列和金属锌纳米片，所述CuO纳米线阵列均匀生长在泡沫铜基底上，所述金属锌纳米片均匀包覆在CuO纳米线的外表面。
[0010]在一实施例中，所述CuO纳米线阵列长度为10～20μm，直径为100～150nm。
[0011]在一实施例中，所述金属锌纳米片通过电子束沉积的方法包覆在CuO纳米线的外表面。
[0012]在一实施例中，所述金属锌纳米片厚度为90～180nm。
[0013]一种三维纳米阵列锌负极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0014](1)泡沫铜清洗：
[0015]将泡沫铜依次放入1M的盐酸、丙酮、无水乙醇中，并依次超声10～30min；
[0016](2)制备CF@Cu(OH)2纳米线：
[0017]提供NaOH、过硫酸铵混合溶液，将清洗后的泡沫铜与所述混合溶液反应，得到的反应产物，用去离子水清洗，然后放入50～70℃烘箱中干燥10～14h后得到CF@Cu(OH)2纳米线；
[0018](3)制备CF@CuO纳米线：
[0019]对所述的CF@Cu(OH)2纳米线进行高温退火，得到CF@CuO纳米线；
[0020](4)制备CF@CuO@Zn三维纳米阵列锌负极材料：
[0021]将所述的CF@CuO纳米线置于镀盘上，送入电子束镀膜仪腔室内，抽真空后镀锌，结束后等待腔室冷却，即得到CF@CuO@Zn三维纳米阵列锌负极材料。
[0022]在一实施例中，所述S2中NaOH的浓度为4M，过硫酸铵的浓度为0.2M；所述步骤S2中反应温度为室温，反应时间为5～10min。
[0023]在一实施例中，所述步骤S3中高温退火的升温速率为60～90℃每分钟，高温退火温度为160～200℃，高温退火时间为0.5～1.5h。
[0024]在一实施例中，所述步骤S4中电子束镀膜仪腔体真空度小于或等于1
×
10
‑4Pa；反应蒸发调节数为8～9，沉积速率为反应时间为0.5～1h。
[0025]在一实施例中，所述S4中，CF@CuO@Zn三维纳米阵列锌负极材料密封保存。
[0026]三维纳米阵列锌负极材料和/或制备方法制备得到的三维纳米阵列锌负极材料在能源转换与存储上的应用。
[0027](三)有益效果
[0028]本专利技术提供了一种三维纳米阵列锌负极材料及其制备方法和应用。与现有技术相比，具备以下有益效果：
[0029]本专利技术公开一种三维纳米阵列锌负极材料，所述三维纳米阵列锌负极材料包括泡沫铜基底、CuO纳米线阵列和金属锌纳米片，CuO纳米线阵列均匀生长在泡沫铜基底上，金属锌纳米片均匀包覆在CuO纳米线的外表面。由于CuO纳米线以竖直形态直接生长在泡沫铜基底上，因此CuO纳米线形成纳米阵列，纳米阵列具有均匀的局部电场分布，为锌在充放电过程中成核和生长提供均匀丰富的活性位点；另外，Zn与CuO之间具有优越的亲和力，促进了锌在充放电成核过程中均匀分布；其次，CuO纳米线以竖直形态直接生长在泡沫铜基底上，形成三维纳米阵列结构，通过三维纳米阵列结构调整，能降低局部电场强度，实现充放电过程锌的均匀沉积，抑制锌枝晶生长；另外，通过引入电子束沉积的方法，使锌拥有更均匀的形貌，有利于充放电过程中锌离子的沉积和剥离；三维纳米阵列内部的空间还能够限制枝晶的生长，从而起到缓解ZIBs的体积变化的作用。
附图说明
[0030]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]图1为实施例3制备的CF@CuO@Zn三维纳米阵列锌负极材料的XRD图。
[0032]图2为实施例1制备的CF@CuO@Zn三维纳米线阵列的扫描电镜图。
[0033]图3为实施例2制备的CF@CuO@Zn三维纳米线阵列的扫描电镜图。
[0034]图4为实施例3制备的CF@CuO@Zn三维纳米线阵列的扫描电镜图。
[0035]图5为实施例4制备的CF@CuO@Zn三维纳米线阵列的扫描电镜图。
[0036]图6为实施例3制备的CF@CuO@Zn三维纳米阵列锌负极材料和纯锌箔的电化学性能对比图；
[0037]6a—电极材料在2mA cm
‑2电流密度下，充放电1mAh的对称循环曲线图；
[0038]6b—电极材料在电流密度为0.5、1、2、5、10、0.5mA cm
‑2下的对称倍率曲线图。
[0039]图7为实施例3制备的CF@CuO@Zn三维纳米阵列锌负极材料和纯锌箔的塔菲尔曲线对比图。
具体实施方式
[0040]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维纳米阵列锌负极材料，其特征在于，包括泡沫铜基底、CuO纳米线阵列和金属锌纳米片，所述CuO纳米线阵列均匀生长在泡沫铜基底上，所述金属锌纳米片均匀包覆在CuO纳米线的外表面。2.如权利要求1所述的三维纳米阵列锌负极材料，其特征在于，所述CuO纳米线阵列长度为10～20μm，直径为100～150nm。3.如权利要求1所述的三维纳米阵列锌负极材料，其特征在于，所述金属锌纳米片通过电子束沉积的方法包覆在CuO纳米线的外表面。4.如权利要求1所述的三维纳米阵列锌负极材料，其特征在于，所述金属锌纳米片厚度为90～180nm。5.一种权利要求1～4任一项所述的三维纳米阵列锌负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)泡沫铜清洗：将泡沫铜依次放入1M的盐酸、丙酮、无水乙醇中，并依次超声10～30min；(2)制备CF@Cu(OH)2纳米线：提供NaOH、过硫酸铵混合溶液，将清洗后的泡沫铜与所述混合溶液反应，得到的反应产物，用去离子水清洗，然后50～70℃下真空干燥10～14h后得到CF@Cu(OH)2纳米线；(3)制备CF@CuO纳米线：对所述的CF@Cu(OH)2纳米线进行高温退火，得到C...

【专利技术属性】
技术研发人员：张惠，钱惠，李士阔，黄方志，戴旭辉，陈博恒，孙锡妹，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：