具有碳载金属单原子功能涂层的锌负极制造技术

本发明专利技术公开了一种具有碳载金属单原子功能涂层的锌负极

【技术实现步骤摘要】
具有碳载金属单原子功能涂层的锌负极、其制备及其应用


[0001]本专利技术涉及水系锌基电池金属锌负极材料
，涉及一种具有碳载金属单原子功能涂层的锌负极
、
其制备及其应用，具体涉及一种具有氮掺杂碳负载的原子级
Sn
位点涂层的锌负极材料
、
其制备方法及其在水系锌离子电池
、
锌
‑
空气电池
、
锌基液流电池等领域的应用
。

技术介绍

[0002]持续增长的全球能源需求以及日益显著的环境污染问题，是人类社会面临的两大重要挑战，开发高效
、
安全
、
低碳
、
清洁可再生能源对实现可持续社会发展具有重要意义
。
当前，电能的生产
、
存储
、
传输和利用，需要依靠不同规格和种类的电化学能源转换和储存设备
。
在过去三十年间，锂离子电池的迅猛发展和商业化进程引人注目，锂离子电池在移动电子设备和电动汽车领域带来了一场能源革命
。
锂离子电池仍然受限于其较低的比容量和循环稳定性
。
但是由于碱金属
(
锂
、
钠
、
钾等
)
对水和空气高度敏感，碱金属基电池通常使用有机电解液，这会使电池具有引发火灾和发生爆炸的危险
。
水系锌离子电池具有低氧化还原电位
(
‑
0.762V vs
标准氢电极
)、
高理论容量
(820mAh
·
g
‑1)、
高安全性和高金属资源丰度等优点，是目前学术界和工业界的研究热点
。
然而，
ZIBs
仍然受到放电容量和库仑效率
(CE)
性能下降的影响，这是由枝晶形成
、
电极腐蚀和锌阳极不利的副反应引起的
。
锌枝晶的堆积会表现为表面突起，加剧负极表面的粗糙度，进一步导致电化学惰性“死锌”的形成，甚至对隔膜造成破坏
。
此外，
Zn
阳极的无序形貌会导致电子分布不规则和局部电流密度较高，以及随后的界面处析氢反应
(HER)。
为了解决上述问题并在循环过程中创造更平整的锌阳极表面，已经投入了大量的手段来优化固
/
液界面，包括电解质添加剂
、
界面装饰层
、
亲锌主体和电极结构设计
。
枝晶和副反应抑制的一个主要目标是在阳极表面实现均匀的
Zn
成核，同时阻止水分子的渗透
。
因此，创造丰富的亲锌位点和构建疏水界面层是调节固
/
液界面反应的两个关键点
。
对于亲锌位点的建立，常规方法是设计用于
Zn
沉积的亲锌主体
。
然而，这会增加电极的复杂性，引起严重的副反应，且有时需要预先沉积
Zn。
常见的无机二维
SEI
层不能抑制
Zn
阳极的体积膨胀，并且由于
Zn
2+
扩散困难而难以进行深度循环
。CN 110364732B
公开了一种水系电池中具有无机功能修饰层的复合锌负极及制备方法和应用，但是该种无机氧化物人工固态电解质界面
(SEI)
层不能为调节电场分布提供结构化界面；
CN 110416549 B
公开了一种具有均一介孔结构涂层的金属锌负极及其制备方法和应用，然而该类涂层无法提供亲锌位点，不利于锌的定向沉积
/
剥离
。
[0003]因此，开发一种利于锌的定向沉积
/
剥离的锌负极材料极具现实意义
。

技术实现思路

[0004]由于现有技术存在上述缺陷，本专利技术提供了一种利于锌的定向沉积
/
剥离的锌负极材料即性能好的锌负极材料，具体为一种具有氮掺杂碳负载的原子级
Sn
位点涂层的锌负极材料
、
其制备方法及其在水系锌离子电池
、
锌
‑
空气电池
、
锌基液流电池等领域的应用，克
服了现有锌负极用涂层材料不利于锌的定向沉积
/
剥离的缺陷
。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]一种具有碳载金属单原子功能涂层的锌负极，包括锌箔基底和涂布在所述锌箔基底上的碳载金属单原子功能涂层；
[0007]所述碳载金属单原子功能涂层包括碳载单原子金属颗粒和粘结剂，所述碳载单原子金属颗粒包括氮掺杂碳纳米颗粒和包覆在所述氮掺杂碳纳米颗粒表面的金属
‑
氮掺杂碳层，所述金属
‑
氮掺杂碳层中金属以单原子方式嵌入
。
[0008]本专利技术具体是通过在锌负极表面负载一层疏水
、
亲锌的三维功能涂层，能够引导锌离子的高速扩散，同时能够有效抑制析氢副反应，原子级亲锌位点和三维导电微支架涂层
(
即氮掺杂碳纳米颗粒
)
的结合能够实现锌在表面
‑
内部
‑
空隙的次序沉积，可实现长寿命
、
高性能的无枝晶锌负极，该材料利于锌的定向沉积
/
剥离，应用前景好
。
[0009]作为优选的技术方案：
[0010]如上所述的一种具有碳载金属单原子功能涂层的锌负极，所述氮掺杂碳纳米颗粒为
ZIF
‑8煅烧后得到的衍生氮掺杂碳
。
[0011]本专利技术还提供如上所述的一种具有碳载金属单原子功能涂层的锌负极的制备方法，包括以下步骤：
[0012](1)
合成
ZIF
‑8；
[0013](2)
煅烧
ZIF
‑8制得氮掺杂碳纳米颗粒；
[0014](3)
将金属离子前驱体
、
盐酸多巴胺溶液与氮掺杂碳纳米颗粒共聚合并煅烧，制得负载原子级金属位点的氮掺杂碳；
[0015](4)
将负载原子级金属位点的氮掺杂碳和粘结剂分散在溶剂中制得分散液；
[0016](5)
将分散液均匀涂布在锌箔表面并烘干即得具有碳载金属单原子功能涂层的锌负极
。
[0017]上述制备方法工艺简单，普适性好，能够适用于制备不同类型材料，容易实现锌负极表面大面积碳基纳米材料涂层的制备，应用前景好
。
[0018]作为优选的技术方案：
[0019]如上所述的制备方法，步骤
(2)
和步骤
(3)
中，所述煅烧的煅烧温度为...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种具有碳载金属单原子功能涂层的锌负极，其特征在于：包括锌箔基底和涂布在所述锌箔基底上的碳载金属单原子功能涂层；所述碳载金属单原子功能涂层包括碳载单原子金属颗粒和粘结剂，所述碳载单原子金属颗粒包括氮掺杂碳纳米颗粒和包覆在所述氮掺杂碳纳米颗粒表面的金属
‑
氮掺杂碳层，所述金属
‑
氮掺杂碳层中金属以单原子方式嵌入
。2.
根据权利要求1所述的一种具有碳载金属单原子功能涂层的锌负极，其特征在于，所述氮掺杂碳纳米颗粒为
ZIF
‑8煅烧后得到的衍生氮掺杂碳
。3.
如权利要求1～2任一项所述的一种具有碳载金属单原子功能涂层的锌负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)
合成
ZIF
‑8；
(2)
煅烧
ZIF
‑8制得氮掺杂碳纳米颗粒；
(3)
将金属离子前驱体
、
盐酸多巴胺溶液与氮掺杂碳纳米颗粒共聚合并煅烧，制得负载原子级金属位点的氮掺杂碳；
(4)
将负载原子级金属位点的氮掺杂碳和粘结剂分散在溶剂中制得分散液；
(5)
将分散液均匀涂布在锌箔表面并烘干即得具有碳载金属单原子功能涂层的锌负极
。4.
根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤
(2)
和步骤
(3)
中，所述煅烧的煅烧温度为
800
～
1000℃
，煅烧气氛为氢气
/
氩气混合气...

【专利技术属性】
技术研发人员：程传伟，王毅劼，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：