一种水系铁离子电池铁负极界面涂层的制备方法

本发明属于水系铁离子电池铁负极界面改性，具体涉及一种水系铁离子电池铁负极界面涂层的制备方法。

背景技术：

1、在现有的储能技术中，锂离子电池因其具有高能量密度、高输出电压和良好的循环使用性能等优势，主导着便携式设备市场，然而锂离子电池所用的挥发性有机电解质会引起火灾和爆炸，储能系统长期存在安全问题。因此，人们一直在探索不易燃且能量密度可观的水性可充电电池，以作为传统储能设备的替代品。其中水系铁离子可充电电池（azirbs）因其有利的特性，包括高理论容量（分别为820mah g- 1和5855mah cm- 3）、高储量（地壳丰度达46500ppm）、低成本（极片成本仅为约$0.06/kwh）和显著的安全性，已成为下一代能量存储应用中极具潜力的候选可充电电池。然而，水系铁离子电池在循环使用过程中，铁枝晶的形成和在水中的副反应（如析氢反应和腐蚀反应）严重影响了azirbs的循环稳定性和循环使用寿命，这就要求对水系铁离子电池铁负极进行界面改性以有效提升其循环稳定性能和电化学性能。因此，针对水系铁离子电池铁电极的界面改性成为目前科研人员研究的热点。

技术实现思路

1、本发明针对目前水系铁离子电池铁负极循环使用过程中的不足，提供了一种水系铁离子电池铁负极界面涂层的制备方法，用于有效解决铁负极在电池循环使用过程中出现的腐蚀、枝晶生长等问题，该方法采用简单可控的溶剂热法和热处理工艺制得多孔nb2o5材料，再将多孔nb2o5材料与聚偏二氟乙烯（pvdf）混合后涂覆于铁负极表面形成特定厚度的保护涂层，该保护涂层有效提高了铁负极的可逆性和电化学性能，实现了水系铁离子电池的长寿命循环使用。

2、本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种水系铁离子电池铁负极界面涂层的制备方法，其特征在于具体步骤为：

3、步骤s1，以nh4f和nbcl5为反应原料，以无水乙醇为反应溶剂，于60-80℃反应制得(nh4)3nbof6前驱体，再将(nh4)3nbof6前驱体于400~600℃煅烧2~8h得到多孔nb2o5铁负极材料；

4、步骤s2，将步骤s1得到的多孔nb2o5铁负极材料和聚偏二氟乙烯混合，在研钵中充分研磨使其混合均匀得到涂层材料，再将得到的涂层材料涂覆于铁负极表面形成多孔nb2o5保护涂层，具有多孔nb2o5保护涂层的铁负极作为负极片用于组装水系铁离子电池，制备的铁负极保护涂层中多孔nb2o5铁负极材料具有高离子传导性、高介电常数和合适的孔结构，其中高离子传导性和合适的孔结构有助于离子传输，从而诱导铁离子均匀的剥离和沉积，较高的介电常数能够实现均匀的离子通量并抑制二维扩散，从而实现铁离子的均匀排列并防止枝晶的生长，进而显著改善因铁负极腐蚀和枝晶生长带来的水系铁离子二次电池循环稳定性差的问题，使其能够长寿命稳定运行。

5、进一步地，步骤s1中所述nh4f与nbcl5的投料质量比为1~5:1。

6、进一步地，步骤s2中所述多孔nb2o5铁负极材料与聚偏二氟乙烯的投料质量比为6~10:1。

7、进一步地，步骤s1的具体过程为：将nbcl5和nh4f分别分散于无水乙醇反应溶剂中搅拌溶解，将两种溶液搅拌混合均匀后于70℃静置反应12h得到混合物，再将混合物冷却后置于无水乙醇反应溶剂中离心洗涤多次得到沉淀产物，所得产物于70℃干燥12h得到(nh4)3nbof6前驱体；将(nh4)3nbof6前驱体置于马弗炉内，在空气气氛下以2℃/min的升温速率升温至500℃煅烧2h得到多孔nb2o5负极材料。

8、进一步地，步骤s2的具体过程为：将步骤s1得到的多孔nb2o5负极材料与聚偏二氟乙烯按照质量比8:1置于研钵中研磨，期间不断加入nmp使其混合均匀，再于室温静置2h以去除其中的挥发性溶剂后得到多孔nb2o5铁负极涂层材料，将得到的多孔nb2o5铁负极涂层材料涂覆于铁负极表面形成多孔nb2o5保护涂层。

9、进一步地，步骤s2中组装的水系铁离子二次电池为非对称纽扣电池或对称纽扣电池，该纽扣电池以feso4溶液为电解液，以金属铜、金属铁或具有多孔nb2o5保护涂层的铁负极为正极片，以玻璃纤维隔膜为隔膜。

10、进一步地，所述金属铁为铁片或泡沫铁单质，所述金属铜为铜片或泡沫铜单质。

11、本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：本发明制备过程简便、高效，制备条件易于控制，适用于大规模生产；本发明制备的铁负极界面涂层的高离子传导性和合适的孔结构有助于离子传输，从而诱导铁离子均匀的剥离和沉积；同时较高的介电常数能够实现均匀的离子通量并抑制二维扩散，从而实现铁离子的均匀排列并防止枝晶生长，进而有效提升铁负极的可逆性和电化学性能，实现了水系铁离子二次电池的长寿命循环使用，具备实用化前景和商业价值。

技术特征：

1.一种水系铁离子电池铁负极界面涂层的制备方法，其特征在于具体步骤为：

2.根据权利要求1所述的水系铁离子电池铁负极界面涂层的制备方法，其特征在于：步骤s1中所述nh4f与nbcl5的投料质量比为1~5:1。

3.根据权利要求1所述的水系铁离子电池铁负极界面涂层的制备方法，其特征在于：步骤s2中所述多孔nb2o5铁负极材料与聚偏二氟乙烯的投料质量比为6~10:1。

4.根据权利要求1所述的水系铁离子电池铁负极界面涂层的制备方法，其特征在于步骤s1的具体过程为：将nbcl5和nh4f分别分散于无水乙醇反应溶剂中搅拌溶解，将两种溶液搅拌混合均匀后于70℃静置反应12h得到混合物，再将混合物冷却后置于无水乙醇反应溶剂中离心洗涤多次得到沉淀产物，所得产物于70℃干燥12h得到(nh4)3nbof6前驱体；将(nh4)3nbof6前驱体置于马弗炉内，在空气气氛下以2℃/min的升温速率升温至500℃煅烧2h得到多孔nb2o5负极材料。

5.根据权利要求1所述的水系铁离子电池铁负极界面涂层的制备方法，其特征在于步骤s2的具体过程为：将步骤s1得到的多孔nb2o5负极材料与聚偏二氟乙烯按照质量比8:1置于研钵中研磨，期间不断加入nmp使其混合均匀，再于室温静置2h以去除其中的挥发性溶剂后得到多孔nb2o5铁负极涂层材料，将得到的多孔nb2o5铁负极涂层材料涂覆于铁负极表面形成多孔nb2o5保护涂层。

6.根据权利要求1所述的水系铁离子电池铁负极界面涂层的制备方法，其特征在于：步骤s2中组装的水系铁离子二次电池为非对称纽扣电池或对称纽扣电池，该纽扣电池以feso4溶液为电解液，以金属铜、金属铁或具有多孔nb2o5保护涂层的铁负极为正极片，以玻璃纤维隔膜为隔膜。

7.根据权利要求6所述的水系铁离子电池铁负极界面涂层的制备方法，其特征在于：所述金属铁为铁片或泡沫铁单质，所述金属铜为铜片或泡沫铜单质。

技术总结本发明公开了一种水系铁离子电池铁负极界面涂层的制备方法，用于有效解决铁负极在电池循环使用过程中出现的腐蚀、枝晶生长等问题，该方法采用简单可控的溶剂热法和热处理工艺制得多孔Nb<subgt;2</subgt;O<subgt;5</subgt;材料，再将多孔Nb<subgt;2</subgt;O<subgt;5</subgt;材料与聚偏二氟乙烯混合后涂覆于铁负极表面形成特定厚度的保护涂层，该保护涂层有效提高了铁负极的可逆性和电化学性能，实现了水系铁离子电池的长寿命循环使用。技术研发人员：栗林坡,张文泽,牛艳丽,张向挺,上官恩波,王利媛受保护的技术使用者：河南师范大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29