一种锌离子电池负极及其制备方法、锌离子电池技术

本发明专利技术属于二次电池技术领域，并具体公开了一种锌离子电池金属负极及其制备方法、锌离子电池，其包括如下步骤：S1、通过光固化3D打印将负极浆料成形为三维锌离子电池负极坯体；S2、对三维锌离子电池负极坯体依次进行脱胶、致密化烧结；S3、对烧结产物进行还原，获得含锌金属的三维多孔结构，即锌离子电池负极。本发明专利技术所制备的负极材料具有良好的导电性和大的比表面积，实现了三维金属负极的可控制造，且能够有效抑制锌枝晶生长，提升电池安全性能以及工作寿命。此外，3D打印负极的多孔结构提高了离子的扩散速度，使电池具有较高的离子及电子电导率。子电导率。子电导率。

【技术实现步骤摘要】
一种锌离子电池负极及其制备方法、锌离子电池


[0001]本专利技术属于二次电池
，更具体地，涉及一种锌离子电池负极及其制备方法、锌离子电池。

技术介绍

[0002]水系锌离子电池具有安全性高，成本低，工艺简单，锌金属理论容量高(820mAh g
‑1)等优点，被认为是下一代可充电电池的重要选择。
[0003]但目前锌离子电池的应用依然未能实现推广，原因在于两点：负极在充放电过程中的体积膨胀问题，以及枝晶生长刺穿隔膜导致电池内部发生短路进而失效的问题。因此，在保证锌离子电池具有高库伦效率的情况下，抑制电池充放电过程中的枝晶生长成为本领域的研究热点。为了解决现有水系锌离子电池材料存在的缺陷，亟需一种三维结构水系锌离子电池负极材料制备工艺。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种锌离子电池负极及其制备方法、锌离子电池，其目的在于，解决水系锌离子电池中的枝晶生长问题，提高锌离子电池的离子及电子电导率。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提出了一种锌离子电池负极的制备方法，包括如下步骤：
[0006]S1、通过光固化3D打印将负极浆料成形为三维锌离子电池负极坯体；
[0007]S2、对三维锌离子电池负极坯体依次进行脱胶、致密化烧结；
[0008]S3、对烧结产物进行还原，获得含锌金属的三维多孔结构，即锌离子电池负极。
[0009]作为进一步优选的，步骤S2中，对三维锌离子电池负极坯体依次进行脱胶、致密化烧结，具体为：将三维锌离子电池负极坯体在空气条件下进行梯度烧结，温度为400～600℃，使光敏树脂充分热解；然后将该脱去光敏树脂的坯体在惰性气体条件下进行致密化烧结，温度为900～1200℃。
[0010]作为进一步优选的，所述负极浆料的制备方法为：将负极活性材料粉体与光敏树脂、增稠剂以及光引发剂进行混合均匀，使负极活性材料粉体均匀分散。
[0011]作为进一步优选的，所述负极浆料包括30wt％～90wt％负极活性材料、10wt％～70wt％光敏树脂、0～20wt％增稠剂和0～3wt％光引发剂。
[0012]作为进一步优选的，所述负极活性材料为氧化锌粉末，所述增稠剂为聚氨酯类、聚丙烯酸酯类、聚氧乙烯类以及纤维素类增稠剂中的一种或者几种混合，所述光敏树脂为丙烯酸酯化环氧树脂、不饱和聚酯、聚氨酯和多硫醇/多烯光固化树脂中的一种或者几种混合。
[0013]作为进一步优选的，步骤S3中，采用热还原或电化学还原对烧结产物进行部分还原或完全还原。
[0014]作为进一步优选的，步骤S1中，所述光固化3D打印为立体光固化或数字光处理工艺。
[0015]按照本专利技术的第二方面，提供了一种锌离子电池负极，其采用上述制备方法制备而成。
[0016]按照本专利技术的第三方面，提供了一种锌离子电池，包括上述锌离子电池负极。
[0017]作为进一步优选的，还包括正极材料和电解液，所述正极材料包括镍氧化物、活性炭、锰氧化物、钒氧化物、普鲁士蓝类似物、有机化合物等，电解液包括氢氧化钾溶液、硫酸锌溶液等。
[0018]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
[0019]1、本专利技术通过光固化制备具有三维多孔结构的负极，诱导锌离子在内部大比表面积处沉积，使原本垂直于隔膜生长的枝晶改变为平行于隔膜生长，可有效避免因枝晶造成的短路以及失效。同时，三维结构有助于提高离子的扩散速度，使得电池具有较高的离子及电子电导率，并有效抑制锌枝晶生长，提升电池安全性能及工作寿命，是一种更为安全和优异性能的二次电池负极制备方式。
[0020]2、现有技术中采用光固化制备固态锂离子电池，但由于树脂的残留会影响导电能力，且无法单独生产金属电极，存在导电性差的问题。本专利技术针对锌离子电池，通过光固化成形三维负极坯体，同时结合脱胶、烧结工艺，实现了金属负极的打印并且提高了导电性。
[0021]3、本专利技术对脱胶、致密化烧结工艺进行设计，通过设计脱胶温度，保证树脂的快速分解，去除树脂的残留，得到纯金属负极，提高导电能力；同时设计致密化烧结温度，以提高胚体的机械强度，避免温度过低，导致坯体机械强度不足，在工作条件下发生结构坍塌，同时避免温度过高导致坯体过度收缩。
[0022]4、本专利技术对负极浆料进行设计，通过调整负极活性材料粉体和光敏树脂的比例，从而获得高导电性、高机械强度的锌离子电池金属负极材料。
附图说明
[0023]图1中(a)
‑
(d)为本专利技术实施例三维锌离子电池负极坯体结构示意图；
[0024]图2为本专利技术实施例烧结完成的ZnO坯体与电还原后的3D锌负极；
[0025]图3中(a)
‑
(c)分别为本专利技术实施例电化学还原前、还原过程及还原后电池体系交流阻抗谱图；
[0026]图4为本专利技术实施例NH4V4O
10
//3D Zn电池在0.1A/g下充放电曲线；
[0027]图5为本专利技术实施例锌离子电池负极制备方法流程图
具体实施方式
[0028]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0029]本专利技术实施例提供的一种锌离子电池负极的制备方法，如图5所示，包括如下步
骤：
[0030]S1、根据计算机预设的锌离子电池三维设计模型，将负极浆料通过光固化3D打印技术成形三维锌离子电池坯体，，如图1所示。
[0031]优选的，负极浆料包括30wt％～90wt％负极活性材料、10wt％～70wt％光敏树脂、0～20wt％增稠剂/分散剂以及0～3wt％光引发剂，其制备方法为：将负极活性材料粉体与光敏树脂、增稠剂以及光引发剂进行混合均匀，使活性材料粉体均匀分散。
[0032]具体的，负极活性材料包括氧化锌粉末，增稠剂包括聚氨酯类、聚丙烯酸酯类、聚氧乙烯类以及纤维素类增稠剂中的一种或者几种混合，光敏树脂包括丙烯酸酯化环氧树脂、不饱和聚酯、聚氨酯和多硫醇/多烯光固化树脂中的一种或者几种混合。
[0033]具体的，所述的光固化3D打印技术包括立体光固化(Stereolithography，SL)和数字光处理(Digital Light Procession，DLP)工艺。
[0034]S2、将打印好的电池负极坯体放入烧结炉依次进行脱胶、致密化烧结；
[0035]优选的，脱胶时将打印成型的锌离子电池负极放入马弗炉中，在空气条件下进行梯度烧结，温度范围为400～600℃，使光敏树脂充分热解。脱去树脂的材料再次放入马弗炉中，在空气或惰性气体条件下进行致密化烧结，温度范围为900～1200℃本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锌离子电池金属负极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、通过光固化3D打印将负极浆料成形为三维锌离子电池负极坯体；S2、对三维锌离子电池负极坯体依次进行脱胶、致密化烧结；S3、对烧结产物进行还原，获得含锌金属的三维多孔结构，即锌离子电池负极。2.如权利要求1所述的锌离子电池负极的制备方法，其特征在于，步骤S2中，对三维锌离子电池负极坯体依次进行脱胶、致密化烧结，具体为：将三维锌离子电池负极坯体在空气条件下进行梯度烧结，温度为400～600℃，使光敏树脂充分热解；然后将该脱去光敏树脂的坯体在惰性气体条件下进行致密化烧结，温度为900～1200℃。3.如权利要求1所述的锌离子电池负极的制备方法，其特征在于，所述负极浆料的制备方法为：将负极活性材料粉体与光敏树脂、增稠剂以及光引发剂进行混合均匀，使负极活性材料粉体均匀分散。4.如权利要求3所述的锌离子电池负极的制备方法，其特征在于，所述负极浆料包括30wt％～90wt％负极活性材料、10wt％～70wt％光敏树脂、0～20wt％增稠剂和0～3wt％光引发剂。5.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫春泽，李琪，方淳，伍宏志，史玉升，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：