一种利用镓基液态金属抑制水系锌电池中锌枝晶生长的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用镓基液态金属抑制水系锌电池中锌枝晶生长的方法，属于水系锌离子电池技术领域。本发明专利技术将镓基液态金属加热至熔融并搅拌预氧化处理得到预氧化镓基液态金属；在真空条件下，将预氧化镓基液态金属均匀涂覆在预处理锌片表面得到预氧化镓基液态金属涂层；将包覆有预氧化镓基液态金属涂层的预处理锌片置于温度为100～120℃下真空热处理30～120min，使预氧化镓基液态金属涂层与预处理锌片的表面合金化，得到镓基液态金属改性锌负极电极；以镓基液态金属改性锌负极电极为水系锌电池的工作电极，在水系锌盐电解液下电沉积。本发明专利技术预氧化镓基液态金属涂层使锌片表面局部电场均匀、离子通量均匀，从而抑制了锌枝晶的生长。的生长。

【技术实现步骤摘要】
一种利用镓基液态金属抑制水系锌电池中锌枝晶生长的方法


[0001]本专利技术涉及一种利用镓基液态金属抑制水系锌电池中锌枝晶生长的方法，属于水系锌离子电池


技术介绍

[0002]水系锌离子电池，其负极锌具有高理论比容量(820mAh g
‑1)、低氧化还原电位(
‑
0.76Vvs标准氢电极)、水系电解液的环境友好等特点。然而锌金属的枝晶生长问题限制了锌电池的进一步发展，即使在温和的水系中性电解液中，仍然存在锌枝晶生长的问题。具有高比表面积的锌枝晶会加速副反应，刺破隔膜，导致电池故障，从而影响电池的循环性能和使用寿命等性能。目前，有人将镓、锑、锡、铋等金属通过化学沉积的方法镀在锌片表面以达到抑制枝晶的效果，但这种方法操作比较复杂，并且不能很好地将金属原子附着在锌片表面。

技术实现思路

[0003]针对在水系锌电池中，锌电极表面枝晶生长，导致副反应加速，隔膜被刺破引发电池故障等问题，本专利技术提出了一种利用镓基液态金属抑制水系锌电池中锌枝晶生长的方法，即采用镓基液态金属作为锌负极电极的涂层，镓基液态金属在常温下呈液态，液态的镓基液态金属可以使锌片表面局部电场均匀、离子通量均匀，从而抑制了锌枝晶的生长；并且水系锌电池中电沉积的锌与镓基液态金属发生合金化反应从而消除枝晶。
[0004]一种利用镓基液态金属抑制水系锌电池中锌枝晶生长的方法，具体步骤如下：
[0005](1)金属锌片依次经稀盐酸洗、去离子水洗、丙酮洗和去离子水洗得到预处理锌片；
[0006](2)将镓基液态金属加热至熔融并搅拌预氧化处理得到预氧化镓基液态金属；
[0007](3)在真空条件下，将预氧化镓基液态金属均匀涂覆在预处理锌片表面得到预氧化镓基液态金属涂层；
[0008](4)将包覆有预氧化镓基液态金属涂层的预处理锌片置于温度为100～120℃下真空热处理30～120min，使预氧化镓基液态金属涂层与预处理锌片的表面合金化，得到镓基液态金属改性锌负极电极；
[0009](5)以镓基液态金属改性锌负极电极为水系锌电池的工作电极，在水系锌盐电解液下电沉积。
[0010]所述步骤(1)稀盐酸质量浓度为3～5％。
[0011]所述步骤(2)镓基液态金属为镓或镓合金，镓合金的熔点不高于100℃。
[0012]优选的，所述镓合金为铟、锡、锑、铋、汞中的一种或多种与金属镓形成的镓合金。
[0013]所述步骤(2)搅拌速率为500～2000rpm，预氧化处理时间为5～12h。
[0014]所述步骤(3)预氧化镓基液态金属涂层的厚度为1～10μm，预氧化镓基液态金属的负载量为10～30mg/cm2。
[0015]本专利技术的有益效果是：
[0016](1)本专利技术镓基液态金属直接涂敷在锌负极电极表面，通过合金化的方式与基底锌负极结合作为锌负极电极的改性涂层，解决了通过电化学沉积使镓基合金物理沉积在锌负极表面，其附着性差，不均匀，工艺复杂等问题；
[0017](2)本专利技术以镓基液态金属为锌负极电极的改性涂层，镓基液态金属在常温下呈液态，液态的镓基液态金属可以使锌片表面局部电场均匀、离子通量均匀，从而抑制了锌枝晶的生长；
[0018](3)本专利技术镓基液态金属与锌具有强烈的合金化趋势，与锌基体通过化学键黏附，镓基液态金属通过合金化反应化学键合在锌负极表面；
[0019](4)本专利技术液态金属镓易于与金属合金化，合金熔炼过程中，温度不需高于熔点最高组元的熔点即可使其合金化生成液态金属镓合金，镓基液态金属经预氧化处理可大幅提高预氧化镓基液态金属在锌负极表面涂敷过程中的附着力；
[0020](5)本专利技术以镓基液态金属改性锌负极电极为水系锌电池的工作电极，在水系锌盐电解液下电沉积产生的锌会与镓基液态金属发生合金化反应从而消除枝晶；
[0021](6)本专利技术镓基液态金属改性锌负极电极的抗腐蚀性能优越于裸锌负极，析氢过电位高于裸锌负极；
[0022](7)本专利技术镓基液态金属改性锌负极电极与水系锌盐电解液之间的润湿性比纯锌好，有利于电子与离子的传输，可以改善安全性，从而实现水系锌电池的高倍率性能。
附图说明
[0023]图1为实施例1表面未涂覆镓的锌片电沉积后的金相显微图；
[0024]图2为实施例1表面涂覆镓的锌片电沉积后的金相显微图；
[0025]图3为实施例1表面涂覆镓的锌片未电沉积时的SEM图；
[0026]图4为实施例1表面未涂覆镓的锌片电沉积后的SEM图；
[0027]图5为实施例1表面涂覆镓的锌片电沉积后的SEM图；
[0028]图6为实施例1表面涂覆镓的锌片电沉积前后的XRD图；
[0029]图7为实施例2表面涂覆镓铟合金的锌片电沉积后的SEM图；
[0030]图8为实施例3表面涂覆镓铟锡合金的锌片电沉积后的SEM图；
[0031]图9为实施例3表面涂覆镓铟锡合金的锌片电沉积前后的XRD图。
具体实施方式
[0032]下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于所述内容。
[0033]实施例1：一种利用镓基液态金属抑制水系锌电池中锌枝晶生长的方法，具体步骤如下：
[0034](1)金属锌片依次经质量浓度为3％的稀盐酸清洗、去离子水洗、丙酮超声清洗去除表面油脂和去离子水洗得到预处理锌片；
[0035](2)将液态金属镓加热至熔融并以2000r/min的转速搅拌预氧化处理10h得到表层氧化的预氧化液态金属镓；
[0036](3)在真空条件下，将预氧化液态金属镓均匀涂覆在预处理锌片表面得到预氧化液态金属镓涂层，其中预氧化液态金属镓涂层的厚度为1.68μm，预氧化镓基液态金属的负载量为20.6mg/cm2；
[0037](4)将包覆有预氧化液态金属镓涂层的预处理锌片置于温度为100℃下真空热处理30min，使预氧化液态金属镓涂层与预处理锌片的表面合金化，得到镓基液态金属改性锌负极电极；
[0038](5)以液态金属镓改性锌负极电极为水系锌电池的工作电极，在水系锌盐电解液下电沉积2h，其中电流密度为1mA/cm2；
[0039]对比例：以未涂覆液态金属镓的锌片负极电极为水系锌电池的工作电极，在水系锌盐电解液下电沉积2h，其中电流密度为1mA/cm2；
[0040]用金相显微镜观察锌片上枝晶生长的情况，表面未涂覆镓的锌片电沉积后的金相显微图见图1，表面涂覆镓的锌片电沉积后的金相显微图件图2，未涂覆Ga的锌片电沉积后表面锌枝晶生长较为明显，平均高度在100μm左右，边缘处的枝晶生长可达600μm以上；涂覆过Ga的锌片电沉积后表面较平整，锌枝晶的生长高度降低至30μm左右；
[0041]采用扫描电子显微镜(SEM)对表面涂覆了Ga的锌片且未电沉积时的表面形貌进行表征，表面涂覆镓的锌片未电沉积时的SEM图见图3，锌片表面平整，Ga均匀地涂覆在了锌片表面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用镓基液态金属抑制水系锌电池中锌枝晶生长的方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)金属锌片依次经稀盐酸洗、去离子水洗、丙酮洗和去离子水洗得到预处理锌片；(2)将镓基液态金属加热至熔融并搅拌预氧化处理得到预氧化镓基液态金属；(3)在真空条件下，将预氧化镓基液态金属均匀涂覆在预处理锌片表面得到预氧化镓基液态金属涂层；(4)将包覆有预氧化镓基液态金属涂层的预处理锌片置于温度为100～120℃下真空热处理30～120min，使预氧化镓基液态金属涂层与预处理锌片的表面合金化，得到镓基液态金属改性锌负极电极；(5)以镓基液态金属改性锌负极电极为水系锌电池的工作电极，在水系锌盐电解液下电沉积。2.根据权利要求1所述利用镓基液态金属抑制水系锌电池中锌枝晶生长的方法，其特征在于：步骤(...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗庆越，胡劲，王恺钊，陈天友，吴家乐，王开军，张维钧，段云彪，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：