[发明专利]一种锌基二次电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种锌基二次电池负极材料及其制备方法，本发明添加改性试剂使氧化锌表面均匀分布有正电荷，阳离子树脂通过静电吸附均匀地包覆在氧化锌表面，厚度为5nm～50nm。将阳离子树脂包覆的氧化锌放入混合金属盐溶液中搅拌，金属离子均匀地吸附在阳离子树脂包覆层中，加入还原剂使金属离子还原成3nm～7nm金属单质。包覆在氧化锌表面的阳离子树脂能有效地抑制Zn(OH)₄^2‑向电解液中扩散，阻止或减缓锌负极在充放电循环中发生变形和枝晶的生长，吸附在阳离子树脂层中纳米级金属颗粒，可以提高析氢过电位和库伦效率，减小析氢腐蚀和枝晶生长。通过本发明可以提高锌负极的循环性能，有利于锌基二次电池的市场化。

技术领域

本发明涉及碱性二次电池负极材料的制备领域，特别是涉及一种锌基二次电池负极材料及其制备方法。

技术背景

随着人们环保意识的提高，开发出绿色环保、循环寿命长、安全可靠的新型二次动力电池成为各国争相研究的热点。锌基二次电池具有工作电压高、能量密度和功率密度高、没有记忆效应的优点。相比于锂离子电池，锌基二次电池属于水系电池，在生产和使用的过程中不会对环境造成污染，而且锌资源储量丰富，成本比较低，使锌基二次电池具有广阔的市场应用前景。

但是目前阻碍锌基二次电池市场化应用的瓶颈是锌负极在充放电循环过程中存在严重的形变、锌枝晶生长、析氢腐蚀等问题，导致电池容量衰减较快和循环寿命较短。锌负极发生变形和枝晶生长的根本原因是氧化锌易溶于碱性电解液形成Zn(OH)₄^2-，在反复的充电过程中，电解液中Zn(OH)₄^2-的不均匀沉积会造成电极的形变和枝晶的生长。目前抑制氧化锌溶解进入电解液中的方法主要可分为两种：(1)向电极或电解液中加入一些添加剂；(2)在氧化锌颗粒表面包覆一层有机物或无机物。其中采用包覆的方法是一种能有效抑制氧化锌溶解的途径，但是目前所使用的包覆材料只是减小了氧化锌与电解液的接触面积，不能阻止Zn(OH)₄^2-向电解液扩散，依然存在锌电极形变和枝晶生长的问题，而且目前所采用的包覆材料也不能有效抑制氢气的产生，随着充放电进行，电池的循环性能衰减较快。因此需要找到一种包覆材料能有效抑制Zn(OH)₄^2-向电解液扩散，同时又能有效抑制析氢腐蚀。

发明内容

针对目前的包覆材料都不能有效抑制Zn(OH)₄^2-向电解液扩散和析氢腐蚀。本发明提出一种有金属吸附的阳离子树脂包覆氧化锌的方法，制备出一种新的锌基二次电池负极材料。包覆在氧化锌表面的阳离子树脂对Zn(OH)₄^2-有较强的静电排斥作用，能有效阻止放电过程中生成的Zn(OH)₄^2-向电解液中的扩散，减小氧化锌在电解液中的溶解量，从而有效地抑制锌负极在充放电过程中产生的变形和枝晶生长问题。同时吸附在阳离子树脂中的纳米金属粒子可以提高析氢过电位和库伦效率，减小析氢腐蚀。

本发明一种锌基二次电池负极材料，按重量百分比计包括如下组份：

氧化锌85％～95％，所述氧化锌的粒径分布在50nm～950nm之间；

阳离子树脂2％～12％；所述阳离子树脂中，全氟磺酸树脂占阳离子树脂的75～95％，其余的阳离子树脂占5～25％；阳离子树脂均匀地包覆在氧化锌表面，厚度在5nm～50nm之间，

金属1％～3％，所述金属包括非稀土金属和稀土金属，其中非稀土金属和稀土金属的质量比在(1～5):1之间；所述金属均匀分布于阳离子树脂中，且单颗金属的粒径为3nm～7nm。在本发明中，阳离子树脂的厚度要大于单颗金属的粒径。

本发明一种锌基二次电池负极材料，所述氧化锌由不同粒径的氧化锌构成；所述不同粒径氧化锌之间的质量百分比分别为：