本技术公开了一种基于纳米纤维素纤丝和纤维素纳米晶的锌离子电池阳极材料制备方法及应用,属于高分子纳米复合材料领域。本发明的锌离子电池阳极材料的制备方法,包括以下步骤:将锌粉、碳纳米管、纳米纤维素纤丝、纤维素纳米晶与水混合,得到前驱液;过滤所述前驱液得到滤膜,冷冻干燥,加压处理,得到所述锌离子电池阳极材料。本发明通过以纳米纤维素纤丝和纤维素纳米晶为原料并优化相应的制备方案的方式,可以赋予产物独特的纳米结构,形成三维多孔导电网络,从而显著增强了电极材料与电解质之间的接触面积,促进了Zn<supgt;2+</supgt;的快速扩散和均匀沉积,对于提高电池的库仑效率和延长循环寿命具有积极影响。
背景技术
近年来,锌离子电池由于高理论比容量(820 mAh·g-1
)和低氧化还原电位(−0.762V vs. SHE,标准水凝胶电极)等优势,在能量存储与转换领域受到了广泛关注。然而,锌金属阳极面临着枝晶生长和水诱导腐蚀的持续挑战,这些问题严重损害了锌离子电池(AZIBs)中锌阳极的可逆性和循环稳定性。锌枝晶的形成通常源于锌在金属负极上的不均匀沉积,这种不均匀性可能由不均匀的电场分布和有机电解质分解产生的非均相固体电解质界面(SEI)引起。由于锌的六方紧密堆积(hcp)结构特性,(0002)晶面会优先暴露,导致在金属负极上形成凸面。这种凸面的存在使得锌离子在沉积时更倾向于聚集在凸起的顶端,形成了所谓的“尖端效应”。如果枝晶的生长过于剧烈,形成的厚而尖锐的枝晶可能会穿透电池的隔膜,造成电池短路并引发故障。即使在枝晶生长的早期阶段,它也可能促进硫酸锌氢氧化物(ZSH)的形成以及阳极侧的析氢反应。惰性副产物ZSH的生成会在电极表面形成钝化层,加剧枝晶问题,而氢气的产生通常对电池性能有害。为解决水系锌离子电池锌金属负极在实际应用中的界面稳定性问题,可以通过制备表面改性层来减少枝晶,如碳纳米管(CNT)、GO、还原氧化石墨烯(rGO)、石墨等,其可以分配到一部分的负极电荷,从而具有较高的电化学活性。
单纯的碳纳米管和Zn粉结合后的机械性能差,无法成膜,通常需要增加粘结剂(如:羧甲基纤维素(CMC)、聚偏氟乙烯(PVDF)等)、优化CNT和Zn粉的比例、表面改性(如氧化、还原或接枝功能化)等措施来解决此问题。因此,如何通过改进锌金属负极的方式来提升其机械强度和电化学性能,是制备高性能锌离子电池的关键。
实现思路