一种锌负极、制备方法及基于该锌负极的水系锌基电池技术

本发明专利技术公开了一种离子、电子混合导体包覆的锌负极及其制备方法。本发明专利技术通过旋涂法或者刮刀法，将离子、电子混合导体层包覆在锌负极上。离子、电子混合导体层由离子导体材料、电子导体材料组成。本发明专利技术还包括基于该锌负极的水系锌基电池，包括锌负极作为负极、水溶液为电解液。本发明专利技术还包括一种旋涂机。本发明专利技术提出了一种简单且适用范围广的技术，有效抑制了锌负极在循环过程中枝晶的生长，抑制了副反应的发生，稳定了电极/电解质的界面，延长了电池的使用寿命，提高了电池的电化学性能。提高了电池的电化学性能。提高了电池的电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种锌负极、制备方法及基于该锌负极的水系锌基电池


[0001]本专利技术属于电化学能源材料
，具体涉及一种锌负极、制备方法及基于该锌负极的水系锌基电池。

技术介绍

[0002]二次电池池作为储能装置，在替代石油方面取得了大的进展，并且被广泛应用于消费电子领域和电动车等领域。目前应用最广范是锂离子电池，但锂资源稀缺，同时锂离子电池由于使用有机电解液，存在严重的安全隐患，在大规模储能电站上的应用受到严重阻碍。相比之下，水系锌基电池由于金属锌具有较高的理论容量（820 mAh g
‑1）、较低的氧化还原电势（相对于标准氢电极为
‑
0.76 V）、储量丰富、成本低、回收方便、安全环保等优势，在未来大规模储能领域中展现出良好的应用前景。
[0003]但是，与锂负极类似，锌在电镀/剥离的过程中，不均匀的沉积会导致不规则锌枝晶的形成，导致电池短路。除此之外，副反应也会影响电池的循环性能。
[0004]目前，表面改性是优化锌负极的重要手段之一。能够调节锌离子传输，具有锌离子通道的涂层称为离子导体涂层。公布号为CN109980226A的中国专利技术专利申请便是离子导体涂层改性。在该专利申请中，中国科学院青岛生物能源与过程研究所提出一种使用聚酰胺光亮剂涂层改性的锌负极。光亮剂层不但可以诱导锌离子均匀传输，还可以缓解副反应。但改性后的涂层会导致极化偏大，影响电池的倍率性能。此外，能够均匀锌负极界面电子分布的涂层称为电子导体涂层。公开号为CN109713213的中国专利技术专利申请便是电子导体涂层。在该专利申请中，中国科学院上海硅酸盐研究所、上海硅酸盐研究所中试基地提出了纳米碳材料修饰锌负极。纳米碳材料具有比表面积大、多孔和导电性高的优点，能降低局部电流密度，提供成核位点。但随着循环进行，锌离子会倾向于沉积在锌负极表面，从而易形成枝晶。而同时具有离子、电子导体包覆的锌负极还未被提出。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种锌负极、制备方法及基于该锌负极的水系锌基电池，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种锌负极，包括锌负极基材以及包覆在所述锌负极基材表面用于导通离子和电子传输的离子、电子混合导体，所述离子、电子混合导体包括离子导体材料和电子导体材料。
[0007]优选的是，所述的锌负极包括：锌片、多孔锌、锌/碳复合材料及锌合金；所述锌/碳复合材料中碳源来自于包含中间相碳微球石墨、天然石墨、膨胀石墨、人造石墨、玻璃碳、碳纤维（例如碳纳米纤维）、硬碳、软碳、活性炭、多孔碳、碳布、碳纸、三维石墨、炭黑、碳纳米管（例如单壁碳纳米管、多壁碳纳米管）、石墨烯（例如石墨烯片）和以上碳材料的改性材料中的一种或多种，优选活性炭、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米纤维、碳纸、石墨烯片和碳布中的一种或多种，更优选活性炭、碳纳米纤维和石墨烯片中的一种或多种；所述锌合金
包括锌与银、铜、金、汞、锡、铝、镁、镉、铅、钛及锑金属的一种或多种形成的合金。
[0008]上述任一方案中优选的是，所述离子导体材料包括聚合物/锌盐复合材料、无机材料中的一种或多种的组合；所述聚合物/锌盐复合材料中的聚合物包括海藻酸钠、纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸及尼龙中的一种或多种的组合；所述聚合物/锌盐复合材料中的锌盐包括三氟甲磺酸锌、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺锌、四氟硼酸锌、六氟磷酸锌、六氟砷酸锌、高氯酸锌、双乙二酸硼酸锌、氯酸锌、磷酸锌、硝酸锌、硫酸锌、乙酸锌和氯化锌中的一种或多种的组合；所述无机材料包括氧化锰、氧化钼、氧化钒、氧化锌、碳酸钙、硫化钼和硫化锌中的一种或多种的组合。
[0009]上述任一方案中优选的是，所述电子导体材料包括导电无机材料和导电聚合物材料的一种或多种；所述导电无机材料包括：金属、金属氧化物和碳材料中的一种或多种；所述金属包括：金、银、铜、锡和铝的一种或多种；所述金属氧化物包括氧化钌、及有缺陷结构而具有电子导电性质的氧化铝、氧化硅、氧化锰、氧化钛、氧化钼的一种或多种；所述的碳材料包含中间相碳微球石墨、天然石墨、膨胀石墨、人造石墨、玻璃碳、碳纤维（例如碳纳米纤维）、硬碳、软碳、活性炭、多孔碳、碳布、碳纸、三维石墨、炭黑、碳纳米管（例如单壁碳纳米管、多壁碳纳米管）、石墨烯（例如石墨烯片）和以上碳材料的改性材料中的一种或多种，优选活性炭、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米纤维、碳纸、石墨烯片和碳布中的一种或多种，更优选活性炭、碳纳米纤维和石墨烯片中的一种或多种；导电聚合物材料为本领域常规使用的导电聚合物，例如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚3,4
‑
乙烯二氧噻吩、醌、和上述导电聚合物衍生物中的一种或多种。
[0010]一种锌负极的制备方法，包括以下步骤：取离子导体材料、电子导体材料在溶剂中搅拌均匀，形成溶液，其中各个材料的质量配比为：离子导体材料：电子导体材料：溶剂=(1～100):(1～10):(1～100)；将上述溶液涂在锌负极，蒸干溶剂，即形成离子、电子混合导体包覆的锌负极。
[0011]上述任一方案中优选的是，所述溶液涂在锌负极的包括使用旋涂机将所述溶液旋涂在锌负极上。
[0012]上述任一方案中优选的是，所述溶液涂在锌负极的包括溶液被刮刀以一定厚度刮压涂敷在锌负极上。
[0013]上述任一方案中优选的是，所述溶剂包括去离子水、N
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮、二甲基甲酰胺。
[0014]一种旋涂机，包括旋转底座；旋转台，设置在旋转底座上，与其同步转动，所述旋转台的内部设置有容置区，且容置区的中心与旋转台的中心重合，所述容置区的中心处上方设置有支撑基台，所述支撑基台的底部与容置区设置有间隙，且支撑基台的底部设置有出胶口，所述支撑基台上设置有供胶管道，所述供胶管道上表面的中心处设置有进胶口，所述供胶管道的下表面均匀设置有多个出胶口；盖板，与旋转台连接，且供胶管道固定在盖板的内壁，所述盖板的中部设置有转
轴，所述转轴的中部设置有胶管入口，所述胶管入口与进胶口连通。
[0015]一种基于该锌负极的水系锌基电池，包括锌负极作为负极、水溶液为电解液。
[0016]上述任一方案中优选的是，所述电解液包括碱性电解液、中性电解液、弱酸性电解液中的一种或多种；所述碱性电解液中的碱包括LiOH、KOH、NaOH的一种或多种的组合；所述中性电解液和弱酸性电解液设置为含锌盐的水溶液；所述的锌盐包括三氟甲磺酸锌、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺锌、四氟硼酸锌六氟磷酸锌、六氟砷酸锌、高氯酸锌、双乙二酸硼酸锌、氯酸锌、磷酸锌、硝酸锌、硫酸锌、乙酸锌和氯化锌中的一种或多种的组合；所述中性电解液、弱酸性电解液的pH值范围为3~7。
[0017]本专利技术的技术效果和优点：该锌负极、制备方法及基于该锌负极的水系锌基电池有效抑制了锌负极在循环过程中枝晶的生长，稳定了电极/电解质的界面，延长了电池的使用寿命，提高了电池的电化学性能。<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：包括锌负极基材以及包覆在所述锌负极基材表面用于导通离子和电子传输的离子、电子混合导体，所述离子、电子混合导体包括离子导体材料和电子导体材料。2.根据权利要求1所述的一种锌负极，其特征在于：所述锌负极基材包括锌片、多孔锌、锌/碳复合材料及锌合金；所述锌/碳复合材料中的碳为包含中间相碳微球石墨、天然石墨、膨胀石墨、人造石墨、玻璃碳、碳纤维、硬碳、软碳、活性炭、多孔碳、碳布、碳纸、三维石墨、炭黑、碳纳米管、石墨烯以及以上碳材料的改性材料中的一种或多种的组合；所述锌合金包括锌与银、铜、金、汞、锡、铝、镁、镉、铅、钛及锑中的一种或多种的组合形成的合金。3.根据权利要求1所述的一种锌负极，其特征在于：所述离子导体材料包括聚合物/锌盐复合材料、无机材料中的一种或多种的组合；所述聚合物/锌盐复合材料中的聚合物包括海藻酸钠、纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸及尼龙中的一种或多种的组合；所述聚合物/锌盐复合材料中的锌盐包括三氟甲磺酸锌、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺锌、四氟硼酸锌、六氟磷酸锌、六氟砷酸锌、高氯酸锌、双乙二酸硼酸锌、氯酸锌、磷酸锌、硝酸锌、硫酸锌、乙酸锌和氯化锌中的一种或多种的组合；所述无机材料包括氧化锰、氧化钼、氧化钒、氧化锌、碳酸钙、硫化钼和硫化锌中的一种或多种的组合。4.根据权利要求1所述的一种锌负极，其特征在于：所述电子导体材料包括导电无机材料和导电聚合物材料的一种或多种的组合；所述导电无机材料包括金属、金属氧化物和碳材料中的一种或多种的组合；所述金属包括金、银、铜、锡和铝的一种或多种；所述金属氧化物包括氧化钌、及有缺陷结构而具有电子导电性质的氧化铝、氧化硅、氧化锰、氧化钛、氧化钼的一种或多种的组合；所述碳材料包含中间相碳微球石墨、天然石墨、膨胀石墨、人造石墨、玻璃碳、碳纤维、硬碳、软碳、活性炭、多孔碳、碳布、碳纸、三维石墨、炭黑、碳纳米管、石墨烯和以上碳材料的改性材料中的一种或多种的组合；所述导电聚合物材料包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚3,4
‑
乙烯二氧噻吩、醌及上述导电聚合物衍生物中的一种或多种的组合。5.一种根据权利要求1所述的锌负极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：取离子导体材料、电子导体材料在溶剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：付丽君，樊惟佳，何易霜，袁野，袁新海，吴宇平，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：