技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種Zn-C二次電池復合材料的制備及其應用。

背景技術(shù)

鋅離子電池屬于二次鋅基電池，鋅基電池是一類體系龐大、范圍很廣的系列電池，在現(xiàn)代電池工業(yè)和科學研究中有著舉足輕重的地位，其種類包括鋅錳電池Zn/MnO₂電池)、鋅鎳電池(Zn/NiOOH電池)、鋅銀電池(Zn/AgO電池)和鋅空氣電池(Zn/Air電池)等。

鋅作為電極材料具有如下四方面優(yōu)點：(1)資源豐富，鋅在地殼中的含量居第23位，比鐵和鋁少，但鋅的產(chǎn)量很大，在世界金屬中居第四位，僅排在鐵、鋁和銅之后，是第四“常見”的金屬，消費量在有色金屬中排第三位。我國的鋅地質(zhì)儲量非常豐富，是世界最大的精鋅生產(chǎn)和消費國；(2)低成本，低毒性，導電性好，目前一噸鋅的價格在18000元左右，比鋁略高，是銅的三分之一還不到。鋅的毒性較低，鋅離子和鋅的化合物對環(huán)境的污染性也比較小。此外在金屬元素中鋅的導電性比較好，鋅的電阻率為5.91μΩ·cm，銅、鐵、鎳的電阻率分別為1.67μΩ·cm、9.71μΩ·cm和6.84μΩ·cm；(3)能量密度高，水中的穩(wěn)定性好，鋅在水溶液里穩(wěn)定的金屬元素中能量是最高的，理論容量可達820mAh/g；(4)平衡電位低、氫過電位高，鋅在水中的標準電極電位是-0.763V，使得它與正極組成電池后開路電壓比較大。氫過電位在1.2V左右，跟錫、鉍等一樣屬于高氫過電位金屬，最大限度的減少了氫的析出，這對電池的壽命和穩(wěn)定性非常重要。

綜合現(xiàn)有的商業(yè)電池，可以看出目前鋰離子電池能量密度高，但功率密度低，只適合小功率條件下的慢放電；超級電容器的功率密度比較高，適合在大功率條件下快速充放電，但能量密度比較低，僅為一般電池的十五分之一。而鋅離子電池同時具有普通電池和超級電容器的優(yōu)點，既可以小功率慢放電，又可大功率快速充放電。它的能量密度最高可達320Wh/kg，為超級電容器的15倍左右，同時其功率密度最高可達12KW/kg，為普通電池的10倍左右。除此之外值得注意的是，鋅離子電池的制作工藝簡單，在空氣中即可組裝制備，電解液采用是水溶液，因此這種水系電池還具有成本低、安全和環(huán)保等優(yōu)良特點，是一種非常有應用前景的儲能電池。

但是鋅離子電池也有其亟需解決的問題：(1)枝晶問題，傳統(tǒng)Zn電極在電池的充電過程中，電解液中的鋅離子在鋅電極表面還原沉積，形成樹枝狀沉積物，隨著充放電的循環(huán)不斷進行，這些沉積物迅速長大，形成鋅枝晶。這些鋅枝晶不斷生長極易刺穿隔膜引起電池短路；(2)鈍化問題，傳統(tǒng)Zn電極在電池的充電過程中，鋅的陽極產(chǎn)物是難溶性的Zn(OH)₂，這種難溶物會沉積在鋅電極的表面，影響了鋅的正常溶解，使鋅電極失去活性變?yōu)椤扳g態(tài)”，降低了鋅電極的利用率，使電池的可逆容量和循環(huán)壽命減小。

為了解決上述問題，目前主要采用將Zn與活性炭進行互混，利用活性炭豐富的微孔和中孔結(jié)構(gòu)為鋅晶體和難溶物提供豐富的沉積點，來解決鋅枝晶和難溶反應產(chǎn)物在鋅電極表面的堆積。但是需要指出的是這種方法只是一種物理混合，對枝晶和鈍化的抑制效果并不明顯。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種Zn-C二次電池復合材料的制備及其應用，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種Zn-C二次電池復合材料的制備，包括以下步驟：

1)制備Zn基ZIF；

2)在保護氣體氣氛下對步驟1)得到的Zn基ZIF進行預碳化,得到預碳化的Zn基ZIF；

3)在保護氣體氣氛下對步驟2)得到的Zn基ZIF進行碳化，冷卻，得到Zn-C復合材料。

步驟2)中：預碳化的溫度為250℃至350℃。

步驟2)中：預碳化的時間為1h至6h；保護氣體為氮氣、氬氣、氫氣、或一氧化碳中的任意一種或多種的混合。

步驟3)中：在進行碳化時，碳化的溫度小于Zn的沸點溫度，并且Zn的沸點溫度與碳化的溫度的差值大于50℃。

步驟3)中：碳化的溫度為450℃至850℃。

步驟3)中：碳化的時間為1至10h；保護氣體為氮氣、氬氣、氫氣、或一氧化碳中的任意一種或多種的混合。

步驟1)中：以鋅源與有機配體在溶劑中反應得到。

鋅源為鋅的硝酸鹽、鋅的醋酸鹽、鋅的硫酸鹽、鋅的氧化物、鋅的氯化物、或鋅的氟化物中的任意一種或多種的混合。

有機配體為咪唑或咪唑類衍生物中的任意一種或多種的混合。

溶劑為水、N-N二甲基甲酰胺、甲醇、或乙醇中的任意一種或多種的混合。