鋅鎳電池負極材料鋅酸鈣的微波製備方法

2023-05-31 16:15:56

專利名稱：鋅鎳電池負極材料鋅酸鈣的微波製備方法
技術領域：
本發明涉及一種電池負極材料的製備方法，特別是涉及一種鋅鎳電池負極材料鋅 酸鈣的微波製備方法。
背景技術：
鹼性二次鋅鎳電池是比能量大、功率高、無汙染、低成本的動力電源，引起了人們 的廣泛關注。目前限制鋅鎳電池實際應用的問題在於鋅電極循環壽命短，使用過程中易產 生大量氣體。產生這些問題的原因在於鋅電極存在著形變、枝晶、鈍化、腐蝕等現象。為解 決鋅電極形變；美國專利US3516182提到在鋅電極中添加Ca (OH) 2，將Ca (OH) 2與ZnO混合制 造鋅電極以減輕鋅電極的形變；美國專利US5460899也提到在方型密封鋅鎳電池中使用由 &(011)2和ZnO製造的鋅電極可使電池獲得較長的循環壽命；這是因為在電池循環過程中 的放電階段，Ca(0H)2和ZnO會逐漸生成一種在鹼性電解質溶液中溶解度很小的物質，即以 分子式 Ca (OH) 2 *2Zn (0H)2 .2H20 表示的鋅酸鈣。J. Yu [J. Yu. H. yang. X. Ai et al ;J. Power Sources 103 (2001) 93等人更進一步研究了鋅酸鈣作為鋅鎳電池負極活性物質的性能。他 們認為鋅酸鈣電極在含飽和鋅酸鹽的鹼性電解液中氧化還原反應可逆性好，經多周循環後 仍能保持良好的充放電能力。鋅酸鈣電極作為鋅鎳電池負極活性物質可以降低溶液中鋅酸 鹽的溶解度，顯著延長了電極壽命，其效果遠好於使用Ca (0H) 2和ZnO的混合物。專利CN 1220779和專利CN 1397498都採用固相合成法合成鋅酸鈣，其中前者是 在K0H溶液中對ZnO和Ca(0H)2進行長時間的攪拌，合成的產品經過徹底洗滌、烘乾。後者 是在不加入強鹼的情況下，利用球磨機的機械作用和熱效應，使Zn0、Ca(0H)2和水反應生成 鋅酸鈣。專利CN 100355120C採用將可溶性的鋅鹽和鈣鹽加入到不斷攪拌的鹼性溶液中， 來製備鋅酸鈣。微波合成法是近年發展起來的材料製備方法。微波合成是利用微波加熱來合成材 料，利用微波獨特的波段與材料的基本結構耦合而產生的材料介質損耗使其材料整體加熱 的一種加熱方式，因而具有合成溫度低、合成時間短及能耗低、對環境友好，不存在溫度梯 度，對很多反應體系具有加速化學反應的效果等優點。利用微波誘導加速某些化學反應的 同時，也在探索能否將微波與物質相互作用應用於功能粉體的製備。微波加熱技術已經廣 泛應用於國防、材料、環境、食品、醫藥、農林等行業，在其它領域的新應用正在不斷拓寬。本 發明為改善以鋅酸鈣負極材料的鋅鎳電池的電化學性能，用微波合成法製備鋅酸鈣。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種低成本、放電容量高、循環性能好，能大大 的縮短鋅酸鈣的晶化時間的鋅鎳電池負極材料鋅酸鈣的微波製備方法。為了解決上述技術問題，本發明提供的鋅鎳電池負極材料鋅酸鈣的微波製備方 法，將鋅與鈣的摩爾比為3 1至1 1的ZnO和Ca (0H) 2碾磨和混勻，將ZnO和Ca (OH) 2 的均勻混合物加入到4 7mol/l的氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液，攪拌分散成混合液，然後將混合液加入微波反應器中，開啟微波發生器，升溫至100 130°C，保溫40 90min後自 然冷卻；傾去反應液上層清液，將殘留物洗滌至中性，再經過抽濾，得到白色晶體；將白色 晶體在烘箱中乾燥4 6小時即得到固體鋅酸鈣粉末。所述的微波發生器的微波功率範圍在500 1200W。採用上述技術方案的鋅鎳電池負極材料鋅酸鈣的微波製備方法，為驗證微波合成 的鋅酸鈣的性能，將材料製成鋅負極，組裝鋅鎳電池進行電化學性能測試，鋅負極的製備 採用傳統的極片製備流程——塗膏式。二次鋅電極活性物質的組成鋅酸鈣(85wt%)， SnO(5wt% ),CMC(2. 5wt% ),球形石墨(2. 5wt% ),PTFE(5wt% )。按比例稱取活性物質粉 末，混合均勻，加入適量的去離子水，和膏，塗於銅網上，並將其烘乾後壓片。將製備好的鋅 負極和鎳正極組裝成鋅鎳電池進行充放電性能測試。本發明的優點在於與傳統方法相比，本發明大大縮短了晶化時間，樣品合成僅需 幾十分鐘就可完成，極大簡化了工藝流程。與傳統方法相比，加熱迅速，合成時間短，降低能 耗，且較好的防止晶粒長大，雜晶少，電化學性能更加優越。


圖1是本發明反應裝置示意圖；圖2是本發明製備的鋅酸鈣的XRD圖；圖3是本發明製備的鋅酸鈣電極材料的充放電曲線圖。
具體實施例方式下面通過實例對本發明做進一步說明實施例1 參見圖1，圖1是1、紅外測溫溫度顯示錶，2、定時器，3、電源開關，4、功率調節旋 鈕，5、功率顯示錶，6、微波腔體；稱取16. 2g ZnO和7.4g Ca (OH) 2進行機械碾磨、混勻，將 ZnO和Ca (OH) 2的均勻混合物加入到5mol/l的氫氧化鉀溶液，高速攪拌分散，然後將混合物 加入微波反應器中，開啟微波發生器，調節功率為600W，升溫至100°C，保溫60min後自然冷 卻，傾去反應液上層清液，將殘留物洗滌至中性，再經過抽濾，得到白色晶體，將白色晶體在 烘箱中乾燥5小時即得到固體鋅酸鈣粉末。從X射線粉末衍射圖(圖2)，可以看出，所合成 的鋅酸鈣材料是具有單斜晶繫結構，圖2與鋅酸鈣的標準衍射峰相比較，發現其數據與標 準峰非常吻合。所得鋅電極材料的充放電曲線(圖3)表明鋅鎳電池的充電終止電壓值最 低為1. 996V ；放電電壓平臺在1. 60 1. 70V。實施例2:稱取20. 3g ZnO和7. 4g Ca (OH) 2進行機械碾磨、混勻；將ZnO和Ca (0H) 2的均勻 混合物加入到6mol/l的氫氧化鉀溶液，攪拌分散成混合液，然後將混合液加入微波反應器 中，開啟微波發生器，調節功率為800W，升溫至110°C，保溫50min後自然冷卻，傾去反應液 上層清液，將殘留物洗滌至中性，再經過抽濾，得到白色晶體，將白色晶體在烘箱中乾燥5 小時即得到二次鹼性鋅電極材料鋅酸鈣。實施例3:稱取24. 3g ZnO和7. 4g Ca (OH) 2進行機械碾磨、混勻；將ZnO和Ca (0H) 2的均勻混合物加入到5mol/l的氫氧化鉀溶液，攪拌分散成混合液，然後將混合液加入微波反應器 中，開啟微波發生器，調節功率為1000W，升溫至120°C，保溫80min後自然冷卻；傾去反應 液上層清液，將殘留物洗滌至中性，再經過抽濾，得到白色晶體；將白色晶體在烘箱中乾燥 5小時即得到固體鋅酸鈣粉末。
實施例4 稱取12. 2g ZnO和7. 4g Ca (OH) 2進行機械碾磨、混勻；將ZnO和Ca (OH) 2的均勻 混合物加入到7mol/l的氫氧化鉀溶液，攪拌分散成混合液，然後將混合液加入微波反應器 中，開啟微波發生器，調節功率為1200W，升溫至130°C，保溫90min後自然冷卻；傾去反應液 上層清液，將殘留物洗滌至中性，再經過抽濾，得到白色晶體。將白色晶體在烘箱中乾燥4 小時即得到固體鋅酸鈣粉末。實施例5 稱取18. 8g ZnO和7. 4g Ca (OH) 2進行機械碾磨、混勻；將ZnO和Ca (0H) 2的均勻 混合物加入到4mol/l的氫氧化鉀溶液，攪拌分散成混合液，然後將混合液加入微波反應器 中，開啟微波發生器，調節功率為900W，升溫至125°C，保溫70min後自然冷卻；傾去反應液 上層清液，將殘留物洗滌至中性，再經過抽濾，得到白色晶體；將白色晶體在烘箱中乾燥6 小時即得到固體鋅酸鈣粉末。
權利要求
一種鋅鎳電池負極材料鋅酸鈣的微波製備方法，其特徵是將鋅與鈣的摩爾比為3∶1至1∶1的ZnO和Ca(OH)2碾磨和混勻，將ZnO和Ca(OH)2的均勻混合物加入到4～7mol/l的氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液，攪拌分散成混合液，然後將混合液加入微波反應器中，開啟微波發生器，升溫至100～130℃，保溫40～90min後自然冷卻；傾去反應液上層清液，將殘留物洗滌至中性，再經過抽濾，得到白色晶體；將白色晶體在烘箱中乾燥4～6小時即得到固體鋅酸鈣粉末。
2.根據權利要求1所述的鋅鎳電池負極材料鋅酸鈣的微波製備方法，其特徵是所述 的微波發生器的微波功率範圍在500 1200W。
全文摘要
本發明公開了一種鋅鎳電池負極材料鋅酸鈣的微波製備方法，將鋅與鈣的摩爾比為3∶1至1∶1的ZnO和Ca(OH)2碾磨和混勻，將ZnO和Ca(OH)2的均勻混合物加入到4～7mol/l的氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液，攪拌分散成混合液，然後將混合液加入微波反應器中，開啟微波發生器，升溫至100～130℃，保溫40～90min後自然冷卻；傾去反應液上層清液，將殘留物洗滌至中性，再經過抽濾，得到白色晶體；將白色晶體在烘箱中乾燥4～6小時即得到固體鋅酸鈣粉末。本發明大大縮短了晶化時間，樣品合成僅需幾十分鐘就可完成，極大簡化了工藝流程。與傳統方法相比，加熱迅速，合成時間短，降低能耗，且較好的防止晶粒長大，雜晶少，電化學性能更加優越。
文檔編號C01G9/00GK101928036SQ20101027581
公開日2010年12月29日 申請日期2010年9月8日 優先權日2010年9月8日
發明者童孟良 申請人:童孟良