本申請涉及電池材料的領(lǐng)域，尤其涉及一種碳量子點材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、針對自然界儲量，已研究的水系離子電池包括堿金屬陽離子(li+、na+和k+)和多價離子(ca2+、mg2+、al3+和zn2+)電池。水系鈉離子電池和鉀離子電池的原料存儲量大，生產(chǎn)成本低，具有和鋰相似的化學性質(zhì)，但是其面臨較低的能量密度、高毒性等問題。雖然采用多價離子能夠進行多電子參與的氧化還原反應(yīng)，獲得高比容量和高能量密度，但仍然存在一些問題，例如：水系鈣離子電池負極的沉積和溶解可逆性差，且電解液會引起負極和集流體的腐蝕，導(dǎo)致電池性能不穩(wěn)定。在水系鎂離子電池中，mg2+在宿主晶格中擴散緩慢，可用的正極材料較少，而且鎂負極容易鈍化，進一步阻礙了mg2+的擴散。雖然水系鋁離子電池具有較高的體積容量(8040?mah?cm-3)，但是鋁負極在水系電解液(4<ph<8)中表面易形成a12o3鈍化膜且易造成鋁電極表面的不均勻腐蝕，導(dǎo)致電池效率和電極電勢的衰減，使得水系鋁離子電池仍然處于實驗階段且僅限于一次電池儲能領(lǐng)域。相比較而言，水系鋅離子電池采用溫和的中性電解液，具有較高的理論容量、相對較低的氧化還原電位、低生產(chǎn)成本和高安全性，在多離子水系電池中脫穎而出，有望在未來應(yīng)用于電網(wǎng)儲能和電動車領(lǐng)域。

2、目前，水系鋅離子電池負極材料通常采用商業(yè)鋅箔，雖然鋅負極具有較高的容量，但在充放電過程中易形成鋅枝晶和發(fā)生析氫反應(yīng)，導(dǎo)致電池短路和電池內(nèi)部膨脹，造成鋅負極不可逆的損耗，影響電池壽命。其中鋅枝晶的形成主要源于電場和zn2+在負極表面的不均勻分布，而析氫反應(yīng)是由于鋅金屬負極在水系電解液中的緩慢腐蝕和電解液在電池循環(huán)充放電中的分解所引起的。金屬鋅在反復(fù)沉積/剝離過程中會導(dǎo)致電極和電解質(zhì)界面的演化（即界面形狀的變化），沉積/剝離過程通常是不均勻的，會產(chǎn)生不規(guī)則的表面形貌以及鋅枝晶的生長，這被稱為“尖端效應(yīng)”。在實際的鋅離子電池裝置中，鋅負極的樹枝狀沉積以及游離水引起的相關(guān)副反應(yīng)(析氫反應(yīng)，腐蝕和鈍化)制約其進一步發(fā)展，極大地限制了水系鋅離子電池的循環(huán)壽命。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)鋅負極遇到的問題提出了一些設(shè)計策略，包括主體材料設(shè)計、合金化設(shè)計以及界面改性等。主體材料設(shè)計通常采用多孔3d負極，由于其較大的比表面積，可以有效抑制鈍化。此外，3d負極降低了局部電流密度，促進離子的均勻分布，從而實現(xiàn)了zn的均勻沉積。此外，框架內(nèi)的空隙為鋅沉積提供了充足的空間，一定程度上防止了由于枝晶生長引起的短路問題。但主體材料設(shè)計方法均存在一些問題，如在高利用率下出現(xiàn)的電極變形問題，腐蝕問題以及由于合金化導(dǎo)致體積增加降低能量密度問題等。鋅與其他元素合金化可以改變界面物理和化學性質(zhì)，使其增強耐腐蝕性、減輕鈍化效應(yīng)和減少死鋅的形成等。這種方法有望提高鋅在二次電池中的實際利用率和整體性能。通過不同元素之間的協(xié)同作用，可以顯著提高合金鋅負極的耐蝕性和析氫過電位。但合金鋅負極在一定程度上喪失了高理論比容量的優(yōu)勢，由于電池充電過程中的界面重構(gòu)，合金負極往往會很快失效。其次，采用塊體合金鋅負極會大大增加成本并降低能量密度。界面改性策略主要包括電解質(zhì)添加劑和構(gòu)筑人工保護層兩種方法，負極與電解質(zhì)直接接觸，兩者之間的界面是鋅沉積和溶解發(fā)生的地方。除了鋅負極固有的自改性外，電解液在影響負極性能方面也起著重要作用。電解液的性質(zhì)和組成會對負極的電化學行為、穩(wěn)定性和整體性能產(chǎn)生重大影響。因此，用某些添加劑改變電解液或負極的成分可以增強體系穩(wěn)定性和可逆性。利用添加劑來解決體系中與鋅負極相關(guān)的各種問題雖然已經(jīng)有了初步結(jié)果，然而，多功能添加劑的開發(fā)仍然比較困難，大多添加劑都屬于單功能性如只關(guān)注枝晶生長問題或界面副反應(yīng)問題。此外現(xiàn)有的在鋅負極表面人工保護層大多依靠昂貴設(shè)備，如磁控濺射、原子層沉積(ald)等，不利于改性鋅負極大規(guī)模應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本申請的主要目的在于提供一種碳量子點材料及其制備方法和應(yīng)用，能同時避免鋅枝晶形成和界面副反應(yīng)的發(fā)生。

2、為實現(xiàn)上述目的，本申請?zhí)峁┮环N碳量子點材料的制備方法，包括：將對苯二甲醛和對三氟甲基苯腈乙腈置于甲醇鈉溶液中進行水熱反應(yīng)，得到碳量子點材料。

3、可選地，對苯二甲醛和對三氟甲基苯腈的質(zhì)量比為1:1-2。

4、可選地，水熱反應(yīng)的溫度為120-180℃，時間為1-5h。

5、可選地，甲醇鈉濃度為0.5-1.5?mol?l-1。

6、為實現(xiàn)上述目的，本申請還提供一種碳量子點材料，采用上述的碳量子點材料的制備方法得到，碳量子點材料具有親鋅成核位點。

7、為實現(xiàn)上述目的，本申請還提供一種改性鋅箔的制備方法，包括：將pan粉末與dmf混合得到pan紡絲溶液；將碳量子點材料分散在pan紡絲溶液中，得到混合紡絲液體；將混合紡絲液體通過靜電紡絲的方式紡在鋅箔表面，得到改性鋅箔。

8、可選地，pan粉末與dmf的質(zhì)量比為0.5-1：9，碳量子點材料與pan粉末的質(zhì)量比為0.5-1：10。

9、可選地，靜電紡絲過程具體包括：將混合紡絲液體倒入針筒內(nèi)，并將鋅箔包裹在接收裝置表面，以45-60°對向接收裝置進行定向紡絲；靜電紡絲的速度為0.5-2?ml?h-1，干燥時長為4-8?h。

10、為實現(xiàn)上述目的，本申請還提供一種改性鋅箔，采用上述的改性鋅箔的制備方法得到。

11、為實現(xiàn)上述目的，本申請還提供一種改性鋅箔在鋅離子電池的負極材料中的應(yīng)用。

12、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請的有益效果如下：

13、本發(fā)明的碳量子點材料的制備方法，通過水熱法策略合成的富含多種類型親鋅官能團的碳量子點材料，可以改善鋅金屬表面電場分布，進而均勻鋅離子沉積及成核過程，避免鋅枝晶形成。本發(fā)明的改性鋅箔的制備方法，紡絲材料的高粘附性以及碳量子點中大量氟元素與鋅金屬的相互作用為保護層與鋅金屬的粘連提供了強有力的保證，進而形成擁有優(yōu)異機械性能的保護層，可以在大電流或大容量循環(huán)過程中有效抑制體積膨脹；在充放電過程中有很好的可循環(huán)性，由于較強的粘附性不會出現(xiàn)保護層脫落等失效現(xiàn)象；內(nèi)部摻雜的碳量子點材料內(nèi)部含有大量極性官能團，因此一定程度上提升材料的離子電導(dǎo)率；本發(fā)明的改性鋅箔，作為水系鋅離子電池的負極材料，具有豐富負電性官能團的碳量子點材料可以排斥電解液中硫酸根離子，從而抑制副產(chǎn)物的形成；靜電紡絲工藝的簡便操作有望加快改性負極的大規(guī)模應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種碳量子點材料的制備方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳量子點材料的制備方法，其特征在于，所述對苯二甲醛和所述對三氟甲基苯腈的質(zhì)量比為1:1-2。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳量子點材料的制備方法，其特征在于，所述水熱反應(yīng)的溫度為120-180℃，時間為1-5h。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳量子點材料的制備方法，其特征在于，所述甲醇鈉濃度為0.5-1.5?mol?l-1。

5.一種碳量子點材料，其特征在于，采用權(quán)利要求1-4任意一項所述的碳量子點材料的制備方法得到，所述碳量子點材料具有親鋅成核位點。

6.一種改性鋅箔的制備方法，其特征在于，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的改性鋅箔的制備方法，其特征在于，所述pan粉末與所述dmf的質(zhì)量比為0.5-1：9，所述碳量子點材料與所述pan紡絲溶液比例為0.5-1：10。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的改性鋅箔的制備方法，其特征在于，所述靜電紡絲過程具體包括：將混合紡絲液體倒入針筒內(nèi)，并將鋅箔包裹在接收裝置表面，以45-60°對向接收裝置進行定向紡絲；所述靜電紡絲的速度為0.5-2?ml?h-1，干燥時長為4-8?h。

9.一種改性鋅箔，其特征在于，采用權(quán)利要求6-8任意一項所述的改性鋅箔的制備方法得到。

10.一種如權(quán)利要求9所述的改性鋅箔在鋅離子電池的負極材料中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本申請公開了一種碳量子點材料及其制備方法和應(yīng)用，具體涉及電池材料的領(lǐng)域。包括：將對苯二甲醛和對三氟甲基苯腈乙腈置于甲醇鈉溶液中進行水熱反應(yīng)，得到碳量子點材料；將PAN粉末與DMF混合得到PAN紡絲溶液；將碳量子點材料分散在PAN紡絲溶液中，得到混合紡絲液體；將混合紡絲液體通過靜電紡絲的方式紡在鋅箔表面，得到改性鋅箔。通過水熱法策略合成的富含多種類型親鋅官能團的碳量子點材料，可以改善鋅金屬表面電場分布，進而均勻鋅離子沉積及成核過程，避免鋅枝晶形成，將改性鋅箔作為水系鋅離子電池的負極材料，具有豐富負電性官能團的碳量子點材料可以排斥電解液中硫酸根離子，從而抑制副產(chǎn)物的形成。

技術(shù)研發(fā)人員：王科,賀盼,王炳午,謝棟,張墨騏,楊宇
受保護的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/16