本發(fā)明涉及鋅離子電池，具體涉及一種高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢正極材料及電極制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著全球經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和人口的不斷增長，自然資源正面臨著前所未有的枯竭壓力?；剂系倪^度開采與使用，不僅導(dǎo)致了能源危機，更引發(fā)了嚴重的環(huán)境污染問題。在此背景下，可再生能源和儲能技術(shù)的發(fā)展顯得尤為迫切，成為緩解資源壓力、保護環(huán)境的關(guān)鍵途徑?？稍偕茉慈缣柲?、風(fēng)能等，具有清潔、無污染的特點，但受天氣、地域等因素的限制，其輸出具有間歇性和不穩(wěn)定性。因此，儲能技術(shù)的發(fā)展成為實現(xiàn)可再生能源高效利用的關(guān)鍵。鋰離子電池?(libs)?作為目前主流的儲能技術(shù)，在電動汽車、智能手機等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，其有機電解質(zhì)存在的潛在安全問題，如熱失控、短路等，嚴重威脅著使用安全。因此，尋找更安全、更可靠的儲能技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。

2、近年來，一系列水系電池被提出并開發(fā)出來，包括鋅離子電池?(zibs)?、鎂離子電池、鋁離子電池等。在眾多水電池中，鋅離子電池因其較大的理論比容量(820?mah?g?1和5855?mah?cm?3)以及較低的氧化還原電位?(-0.762?v?vs標(biāo)準(zhǔn)氫電極)?而備受關(guān)注。鋅離子電池不僅具有高能量密度和長循環(huán)壽命，而且鋅資源豐富、價格低廉，具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于缺乏合適的正極材料，其電池循環(huán)壽命和倍率性能較差，仍處于發(fā)展的早期階段。因此，開發(fā)高性能的鋅離子電池正極材料成為當(dāng)前研究的重點。

3、針對鋅離子電池正極材料的開發(fā)，主要集中在層狀和隧道結(jié)構(gòu)材料上，包括釩基化合物、錳基氧化物和普魯士藍類似物等。然而，以上主流的鋅離子電池正極材料性能一直難以令人滿意。這主要是由于正極材料較差的導(dǎo)電性引起的緩慢的電化學(xué)動力學(xué)，缺乏結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性引起的電極降解以及正極與二價zn2?載體之間的強靜電相互作用導(dǎo)致zn2?插入/提取動力學(xué)緩慢。這些問題嚴重制約了高倍率鋅離子電池的發(fā)展和應(yīng)用。

4、與金屬氧化物正極相比，層狀金屬硫族化合物具有高導(dǎo)電性、良好的熱穩(wěn)定性和快速的電化學(xué)動力學(xué)，因此作為高倍率鋅離子電池的潛在正極受到越來越多的關(guān)注。在層狀金屬硫族化合物中，二硫化鎢?(ws2)?因其層間由弱范德華相互作用連接，提供了一個相當(dāng)大的晶格區(qū)域，有利于離子的傳輸和儲存，且其具有可調(diào)的層間距以及導(dǎo)電性，被認為是極有前途的鋅離子電池正極材料。然而，由于傳統(tǒng)半導(dǎo)體相的二硫化鎢較差導(dǎo)電性以及有限的層間距，無法實現(xiàn)令人滿意的倍率性能。因此，開發(fā)具有高導(dǎo)電性、大層間距以及多反應(yīng)活性位點的薄層金屬相二硫化鎢材料用于高倍率鋅離子電池正極具有極大的意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述背景技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明主要解決現(xiàn)有半導(dǎo)體相的二硫化鎢較差導(dǎo)電性以及有限的層間距，無法實現(xiàn)令人滿意的倍率性能的問題。本發(fā)明提供一種高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢正極材料及電極制備方法和應(yīng)用。該方法薄層金屬相二硫化鎢材料具有較大層間距、高導(dǎo)電性以及多反應(yīng)活性位點；薄層金屬相二硫化鎢作為正極活性物質(zhì)時，與隔膜、鋅離子水系電解液、鋅金屬作為負極制成包含正極-隔膜-電解液-負極的水系中性鋅離子電池體系，具有高倍率性能的特點，在大電流下仍具有較高的比容量與循環(huán)穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明第一個目的是提供一種高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢正極材料的制備方法，包括以下步驟：

3、將堿金屬與二硫化鎢混合均勻后至于真空管中，并于800~900℃，加熱10~15h，得到堿金屬插層的二硫化鎢粉末；

4、將堿金屬插層的二硫化鎢粉末均勻分散于稀釋的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)液中，經(jīng)攪拌、過濾，得到金屬相二硫化鎢粉末；

5、將金屬相二硫化鎢粉末分散到正丁基鋰溶液中，經(jīng)攪拌、洗滌，即得薄層金屬相二硫化鎢正極材料。

6、優(yōu)選地，所述堿金屬與二硫化鎢的摩爾比為0.75?~?1?:?1。

7、優(yōu)選地，稀釋的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)液的濃度為0.0009?~?0.0018mol/l；所述堿金屬插層的二硫化鎢粉末與稀釋的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)液的質(zhì)量比為2?~?4?:?1。

8、優(yōu)選地，所述正丁基鋰溶液是由正丁基鋰溶解于水溶劑中配制而得，其濃度為1.6mol/l；

9、所述金屬相二硫化鎢粉末與正丁基鋰的摩爾比為1?~?3?:?4。

10、優(yōu)選地，所述堿金屬為鈉或鉀。

11、本發(fā)明第二個目的是提供一種高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢正極材料。

12、本發(fā)明第三個目的是提供一種高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢正極材料在電極中的應(yīng)用。

13、本發(fā)明第四個目的是提供一種高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢電極，按照質(zhì)量分數(shù)計原料包括70～80％薄層金屬相二硫化鎢粉末，10～20％電子導(dǎo)電劑，8～12％粘結(jié)劑，以及集流體，各組分的質(zhì)量分數(shù)之和為百分之百；

14、所述電子導(dǎo)電劑包括碳納米纖維、碳納米管、導(dǎo)電炭黑、科琴黑中的一種或多種；

15、所述粘結(jié)劑包括聚偏氟乙烯和n-甲基吡咯烷酮；

16、所述集流體為不銹鋼片、鈦片、鈦網(wǎng)、碳布或碳紙。

17、本發(fā)明第五個目的是提供一種高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢電極的制備方法，包括以下步驟：

18、稱取薄層金屬相二硫化鎢正極材料、電子導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑，室溫下將粘結(jié)劑加入到盛有n?甲基吡咯烷酮的反應(yīng)器中，攪拌至完全溶解，得到混合液；

19、將薄層金屬相二硫化鎢正極材料與電子導(dǎo)電劑混合均勻，加入到混合液中，攪拌使其混合均勻，得到電極漿料；

20、將電極漿料涂布于集流體上，真空干燥后，得到高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢電極。

21、本發(fā)明第六個目的是提供一種高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢電極在鋅離子電池中的應(yīng)用。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

23、本發(fā)明提供了一種高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢正極材料及電極制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明所制備的薄層金屬相二硫化鎢正極材料為層狀結(jié)構(gòu)，具有良好的導(dǎo)電性，電導(dǎo)率較商業(yè)二硫化鎢提升近105倍；具有較大層間距，約為1.14?nm，較商業(yè)二硫化鎢?(層間距0.6?nm)?提升90%；其厚度為10?~?20?nm左右，具有更高比表面積，能夠提供更多反應(yīng)活性位點。利用該正極材料與鋅片、電解液、隔膜等組成水系鋅離子電池體系，電池能夠?qū)崿F(xiàn)高倍率性能，具有較大的容量及良好的循環(huán)性能。

24、本發(fā)明制備的薄層金屬相二硫化鎢水系鋅離子電池正極在0.5?a?g-1的電流密度下容量為?365.89?mah?g-1左右；在5?a?g-1的大電流密度容量仍能夠保持在270?mah?g-1左右。?在10?a?g-1的超大電流密度容量可達107.22?mah?g-1左右，并且經(jīng)過1000次的充放電循環(huán)后，達到71.02%的容量保持率，具有良好的倍率性能，高比容量且循環(huán)周期長，穩(wěn)定，環(huán)境友好。

技術(shù)特征：

1.一種高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢正極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢正極材料的制備方法，其特征在于，所述堿金屬與二硫化鎢的摩爾比為0.75?~?1?:?1。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢正極材料的制備方法，其特征在于，稀釋的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)液的濃度為0.0009?~?0.0018mol/l；所述堿金屬插層的二硫化鎢粉末與稀釋的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)液的質(zhì)量比為2?~?4?:?1。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢正極材料的制備方法，其特征在于，所述正丁基鋰溶液是由正丁基鋰溶解于水溶劑中配制而得，其濃度為1.6mol/l；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢正極材料的制備方法，其特征在于，所述堿金屬為鈉或鉀。

6.一種權(quán)利要求1~5任一項所述的方法制得的高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢正極材料。

7.一種權(quán)利要求6所述的高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢正極材料在電極中的應(yīng)用。

8.一種高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢電極，其特征在于，按照質(zhì)量分數(shù)計原料包括權(quán)利要求6所述的70～80％薄層金屬相二硫化鎢粉末，10～20％電子導(dǎo)電劑，8～12％粘結(jié)劑，以及集流體，各組分的質(zhì)量分數(shù)之和為百分之百；

9.一種權(quán)利要求8所述的高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢電極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

10.一種權(quán)利要求8所述的高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢電極在鋅離子電池中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種高倍率鋅離子電池用薄層金屬相二硫化鎢正極材料及電極制備方法和應(yīng)用，涉及鋅離子電池技術(shù)領(lǐng)域。所述方法包括將堿金屬與二硫化鎢混合均勻后至于真空管中，并于800~900℃，加熱10~15h，得到堿金屬插層的二硫化鎢粉末；將堿金屬插層的二硫化鎢粉末均勻分散于稀釋的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)液中，得到金屬相二硫化鎢粉末；將金屬相二硫化鎢粉末分散到正丁基鋰溶液中，即得薄層金屬相二硫化鎢正極材料。本發(fā)明制得的薄層金屬相二硫化鎢作為正極活性物質(zhì)時，與隔膜、鋅離子水系電解液、鋅金屬作為負極制成包含正極?隔膜?電解液?負極的水系中性鋅離子電池體系，具有高倍率性能的特點，在大電流下仍具有較高的比容量與循環(huán)穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：劉向曄,吳鵬輝,陳繼鵬,向躍,官操
受保護的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/22