一种锌负极及其制备方法和应用技术

本申请公开了一种锌负极及其制备方法和应用，所述锌负极包括锌片和生长在所述锌片表面的保护层；保护层为含有聚多巴胺的薄膜。本申请所提供的的锌负极，其保护层上富含多电子胺基、醌基、羟基，导电性较好，有利于加快锌离子在电极表面的吸附过程，降低电化学反应阻抗；保护层的构建，使得锌负极与电解液之间的副反应被极大地抑制，其稳定性得到显著提高，锌离子在锌电极上的沉积过程得到有效调控，避免锌负极的粉化和锌枝晶的产生，从而改善对称锌离子电池的库伦效率、循环寿命，以及提高水系锌离子电池的容量保持率和循环寿命。系锌离子电池的容量保持率和循环寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种锌负极及其制备方法和应用


[0001]本申请涉及一种锌负极及其制备方法和应用，属于水系锌离子电池


技术介绍

[0002]随着能源危机与环境问题日益突出，能源结构变革势在必行，可再生能源对未来可持续发展具有重要意义。然而，可再生能源不连续、不稳定，将其直接并网会对电网产生很大的冲击。储能技术作为连接发电侧与电网/用户侧之间的桥梁，是实现电力平滑输出、削峰填谷等的关键技术。在众多的储能技术中，锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等优点，被广泛地应用于各种便携式电子设备和电动汽车中，但锂资源储量有限、分布不均匀,限制了锂离子电池的规模化发展。水系锌离子电池是一种安全可靠、环境友好的高效可充电电池，因锌负极本身具有电极电势较负(
‑
0.76V相对于标准氢电极)、多电子反应、能量密度高(820mAh g
‑1)、储量丰富及成本低等特点，逐渐成为大规模高效储能技术的候选之一。
[0003]锌离子电池存在的主要问题是，在充放电过程中，锌负极处会发生金属锌不均匀的沉积/溶解反应，从而引发严重的枝晶生长，进而导致电池效率的降低与循环寿命的缩短。此外，水系电解液中析氢副反应的发生、锌负极表面腐蚀钝化等副产物的生成，均会导致界面不稳定，从而使得锌沉积溶解不均匀性进一步恶化。在传统锂离子电池中，石墨负极在放电过程中与电解液发生反应，在其表面生成一层致密的固体电解质(SEI)膜，这层SEI膜不仅可以抑制石墨负极与电解液之间的副反应，还可以帮助稳定锂离子在石墨负极中的嵌入/脱出，实现稳定的充放电循环。因此，在锌负极上构建人工保护层受到了广泛的关注。
[0004]目前，关于人工保护层的研究多数集中在聚合物涂覆的方法，在实际应用中因电池极化过大无法满足高功率密度的要求。专利技术专利CN11160025A公开了一种具有弹性保护层的锌负极材料及其制备方法，该专利技术制备简单、成本低廉，有效提高锌负极的循环寿命，但由于粘结剂的使用不可避免地导致该保护层导电性下降，从而导致全电池的功率密度受限。因此，制备超薄高导电性的人工保护层，对于获取在高功率密度下稳定循环的锌负极至关重要。

技术实现思路

[0005]根据本申请的一个方面，提供了一种锌负极及其制备方法和应用，该锌负极的锌片表面生长有含有聚多巴胺的薄膜，该薄膜在稳定锌片界面的同时，能够实现锌负极的均匀沉积。
[0006]所述锌负极包括锌片和原位生长在所述锌片表面的保护薄膜；
[0007]保护薄膜为包括聚多巴胺与聚醇类物质的复合薄膜。
[0008]可选地，保护薄膜还含有聚醇类物质。
[0009]优选地，聚醇类物质的为聚乙二醇、聚丙三醇中的至少一种。
[0010]所述聚乙二醇可选用PEG
‑
200、PEG
‑
400和PEG
‑
600，优选PEG600。
[0011]可选地，保护薄膜为包括聚多巴胺与聚醇类物质的复合薄膜。
[0012]优选地，保护薄膜为聚多巴胺与聚乙二醇的复合薄膜。
[0013]优选地，锌片厚度为20
‑
500μm；进一步优选地，锌片厚度为20
‑
100μm；
[0014]优选地，所述保护层的厚度为0.1
‑
5μm；
[0015]优选地，所述保护薄膜上具有氨基、醌基、羟基。
[0016]具体地，锌片厚度的下限可独立选自20μm、50μm、100μm、150μm、200μm；锌片厚度的下限可独立选自250μm、300μm、350μm、400μm、500μm。
[0017]本申请锌负极所具有的聚多巴胺保护层上，带有丰富的氨基、羟基、醌基等多种官能团，可与锌离子形成强大的配位作用，从而调控锌离子沉积动力学过程。与此同时，保护层的构建，阻隔了电解液与锌片表面的直接接触，抑制了金属锌的钝化失活，减少了电解液中的溶解氧对锌负极的腐蚀，并有效约束了锌负极的形貌变化。
[0018]根据本申请又一方面，提供了上述锌负极的制备方法，所述方法至少包括以下步骤：
[0019]将锌片与含有多巴胺单体的料液反应，得到修饰后的锌片，即所述锌负极。
[0020]可选地，料液中，多巴胺单体的浓度为20～100mg mL
‑1。
[0021]优选地，多巴胺单体的浓度为45～55mg mL
‑1。
[0022]具体地，料液中，多巴胺单体的浓度下限可独立选自20mg mL
‑1、30mg mL
‑1、40mg mL
‑1、50mg mL
‑1、60mg mL
‑1；多巴胺单体的浓度下限可独立选自70mg mL
‑1、80mg mL
‑1、90mg mL
‑1、95mg mL
‑1、100mg mL
‑1。
[0023]可选地，料液中还包括聚醇类物质。聚醇类物质对聚多巴胺具有交联作用，稳定薄膜的结构。
[0024]可选地，料液中，所述多巴胺单体与聚醇类物质的质量比为1:0～1:1。
[0025]优选地，多巴胺单体与聚醇类物质的质量比为1:0.4～1:0.6。
[0026]在料液中多巴胺单体的浓度为45～55mg mL
‑1，多巴胺单体与聚醇类物质的质量比为1:0.4～1:0.6的条件下，形成的保护薄膜厚度适当，在稳定电池的同时又兼具较高的比容量和容量保持率。
[0027]具体地，在多巴胺单体与聚醇类物质的质量比中，聚醇类物质的比例下限可独立选自0、0.1、0.2、0.3、0.4；聚醇类物质的比例上限可独立选自0.5、0.6、0.7、0.8、1。
[0028]可选地，料液中包括Tris
‑
HCl缓冲溶液；
[0029]Tris
‑
HCl缓冲溶液的pH为8～9。
[0030]Tris
‑
HCl缓冲溶液为含有聚多巴胺的保护薄膜的形成提供反应环境，故Tris
‑
HCl缓冲溶液的用量无需特别限定。
[0031]本领域技术人员可根据所需Tris
‑
HCl缓冲溶液的要求按照常规方法进行配置，具体的其配置过程如下：称取固体三羟基甲基氨基甲烷0.6056g溶解于蒸馏水，加入14.6mL浓度为0.1mol L
‑1的HCl溶液，定容于500mL的容量瓶中。
[0032]可选地，步骤1中，所述反应的条件为：
[0033]反应温度为20℃～35℃，反应时间为12～48h；
[0034]优选地，反应在含氧气氛下进行。
[0035]具体地，干燥温度的下限可独立选自20℃、22℃、24℃、25℃、28℃；干燥温度的上
限可独立选自30℃、31℃、32℃、33℃、35℃。
[0036]具体地，反应时间的下限可独立选自12h、15h、18h、20h、24h；反应时间的上限可独立选自3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锌负极，其特征在于，所述锌负极包括锌片和原位生长在所述锌片表面的保护薄膜；所述保护薄膜中含有聚多巴胺。2.根据权利要求1所述的锌负极，其特征在于，所述保护薄膜还含有聚醇类物质；优选地，所述聚醇类物质的为聚乙二醇、聚丙三醇中的至少一种。3.根据权利要求1所述的锌负极，其特征在于，所述锌片厚度为20～500μm；优选地，所述保护薄膜的厚度为0.1～5μm。优选地，所述保护薄膜上具有氨基、醌基、羟基。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的锌负极的制备方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：将锌片与含有多巴胺单体的料液反应，得到修饰后的锌片，即所述锌负极。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述料液中，所述多巴胺单体的浓度为20～100mg mL
‑1。6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述料液中还包括聚醇类物质；优选地，料液中，所述多巴胺单体与所述聚醇类物质的质量比为1:0～1:1；优选地，所述料液中包括Tris
‑
HCl缓冲溶液；所述Tris
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：李先锋，常娜娜，尹彦斌，王胜男，张华民，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：