【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水系锌离子电池材料，具体涉及一种抑制枝晶生长的改性锌负极极片、制备方法及其应用。
技术介绍
1、随着社会的发展，现代社会对能源的需求不断增加，从而对储能设备提出了更高的要求，锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长、额定电压高、有较强的高功率承受能力、重量轻、体积小的等特点。但是锂电池的生产成本较高，从而导致电池价格较高。锂电池在充电或放电时会产生大量的热量，如果温度过高会导致电池内部结构受损、电化学反应不可逆、电池容量下降、甚至爆炸、火灾等危险情况。
2、目前，已经开发了各种水性金属离子电池，例如锌离子电池(zib)，铝离子电池(aib)，镁离子电池(mibs)和钙离子电池(cibs)。与其他活性金属相比金属锌具有良好的抗腐蚀性、延展性以及流动性，所以锌离子电池并不会像主流锂电池一样，容易发生激烈的化学反应导致热失控甚至是自燃，安全性会更高。锌金属作为广泛存在的金属，锌材料的储备量可谓是相当丰富，因此其价格自然要比主流的锂电池材料更低。锌本身不具备毒性，而用于制造锌离子电池的原材料也同样无毒且环保，从长远的角度来看，金属锌的回收利用率也很高，并不会对环境造成污染和破坏。因此水系锌离子电池具有安全、成本低、环保、资源丰富且电化学特性优异等优点，近年来受到了研究人员的广泛关注。被认为是有前景的储能器件。
3、但是锌离子电池使用寿命较短，锌电极在充放电循环过程中，倾向于形成较为粗糙和不均匀的表面，而随着循环时间的增加，金属离子在负极不断发生沉积或溶解反应，金属电极表面容易形成枝晶。在锌离子电池中，锌
技术实现思路
1、针对上述不足，本专利技术的目的在于，通过对锌负极进行改进，缓解水系锌离子电池循环过程中的枝晶的二维生长、腐蚀及析氢等问题，提高电池的电化学表现。
2、本专利技术的目的之一在于提供一种抑制枝晶生长的改性锌负极极片。
3、一种抑制枝晶生长的改性锌负极极片，所述改性锌负极极片是通过功能涂层材料对原锌负极进行表面改性获得的碳负极极片；其中，所述表面改性，以原锌负极为基体，在原锌负极表面涂覆所述功能涂层材料形成具有多孔结构的功能涂层，获得所述改性锌负极极片。
4、进一步地，所述功能涂层为二氧化硅气凝胶涂层。
5、进一步地，所述二氧化硅气凝胶涂层的厚度为50-300μm。
6、进一步地，所述二氧化硅气凝胶涂层制备原料包括主体功能材料、粘接剂、溶剂；其中所述主体功能材料、粘接剂和溶剂的质量比为7～8∶2：5-10。
7、本专利技术的目的之二在于提供一种抑制枝晶生长的改性锌负极极片的制备方法。
8、一种制备抑制枝晶生长的改性锌负极极片的制备方法，包括如下步骤：
9、步骤s1，制备湿凝胶：将正硅酸乙酯、乙醇和水按照摩尔比为1：3～5：7～10的比例进行充分搅拌，调节ph值为3.0～4.0，混合均匀后，静置22～30h，直至正硅酸乙酯充分水解；再调节ph值为6.0～7.0后，再密闭干燥器中，形成湿凝胶；
10、步骤s2，制备主体功能材料：将湿凝胶在室温下老化48～72h，干燥后获得轻质多孔二氧化硅气凝胶胶块，再将二氧化硅气凝胶块研磨形成二氧化硅气凝胶粉末，即为主体功能材料；
11、步骤s3，将制备得到的主体功能材料、聚偏二氟乙烯和n-甲基吡咯烷酮溶剂按质量比为7～8∶2：5-10的比例，按主体功能材料、聚偏二氟乙烯和n-甲基吡咯烷酮溶剂的顺序进行混合，充分搅拌制成均匀浆料。
12、步骤s4，涂布：将浆料均匀地涂覆在平整的锌箔表面后，放入55～65℃真空恒温箱12～18h，得到表面涂覆二氧化硅气凝胶涂层的金属锌极片，即为改性锌负极极片。
13、进一步地，所述步骤s1中，搅拌时间为80～120min。
14、进一步地，所述步骤s2中，所述主体功能材料孔径范围为10～50nm；所述主体功能材料的粒径为1-20μm，中位粒径为5-10μm。
15、本专利技术的目的之三在于提供一种抑制枝晶生长的改性锌负极极片的应用，具体包括以所述改性锌负极极片作为水系锌离子电池的负极。
16、进一步地，将改性锌负极极片裁成直径为10mm的圆极片，备用；
17、采用所述圆极片作正极和负极，2mol/lznso4溶液为电解液，玻璃纤维滤膜作为隔膜，组装获得对称电池；
18、采用所述圆极片作负极，金属钛箔作正极，2mol/lznso4溶液为电解液，玻璃纤维滤膜(whatman，gf/a)作为隔膜，组装获得锌钛半电池；
19、采用所述圆极片作负极，二氧化锰作为正极电极片，2mol/lznso4溶液为电解液，玻璃纤维滤膜(whatman，gf/a)作为隔膜，组装获得全电池。
20、有益效果：
21、1.本专利技术制得的功能涂层中，主体功能材料丰富的孔径结构加快了电化学反应过程中电子和离子的传输，同时内部中空多层的结构有利于电解液的渗透，能够均匀化表面电场，使负极表面的锌沉积变得平滑。
22、2.本专利技术制备的主体功能材料的比表面积高达为725m2 g-1，二氧化硅气凝胶气凝胶材料超高的比表面积和丰富的孔径结构可以促进电解液的渗透、为zn2+的均匀沉积提供了丰富的活性位点，从而有效缓解循环过程中的枝晶的二维生长、腐蚀及析氢等问题，提高电池的电化学表现。
23、3.由改性后锌负极组成的zn/zn对称电池可以在1ma/cm2的电流密度下稳定循环250h以上，远高于纯锌对称电池寿命。
24、4.本专利技术提供的改性锌负极极片及其制备方法，原材料便宜、合成方法简单，改性后的锌负极，能够进行高可逆性、库伦效率较高的锌镀层/剥离，能够有效抑制了锌枝晶或其他副产物的形成。
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1.一种抑制枝晶生长的改性锌负极极片，其特征在于，所述改性锌负极极片是通过功能涂层材料对原锌负极进行表面改性获得的碳负极极片；
2.根据权利要求1所述的一种抑制枝晶生长的改性锌负极极片，其特征在于，所述功能涂层为二氧化硅气凝胶涂层。
3.据权利要求2所述的一种抑制枝晶生长的改性锌负极极片，其特征在于，所述二氧化硅气凝胶涂层的厚度为50-300μm。
4.根据权利要求2所述的一种抑制枝晶生长的改性锌负极极片，其特征在于，所述二氧化硅气凝胶涂层制备原料包括主体功能材料、粘接剂、溶剂；其中所述主体功能材料、粘接剂和溶剂的质量比为7～8∶2：5-10。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种制备抑制枝晶生长的改性锌负极极片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种抑制枝晶生长的改性锌负极极片的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，搅拌时间为80～120min。
7.根据权利要求5所述的一种抑制枝晶生长的改性锌负极极片的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述主体功能材料孔径范围为10～5
8.根据权利要求1-4任一项所述的一种抑制枝晶生长的改性锌负极极片的应用，以所述改性锌负极极片作为水系锌离子电池的负极。
...【技术特征摘要】
1.一种抑制枝晶生长的改性锌负极极片，其特征在于，所述改性锌负极极片是通过功能涂层材料对原锌负极进行表面改性获得的碳负极极片；
2.根据权利要求1所述的一种抑制枝晶生长的改性锌负极极片，其特征在于，所述功能涂层为二氧化硅气凝胶涂层。
3.据权利要求2所述的一种抑制枝晶生长的改性锌负极极片，其特征在于，所述二氧化硅气凝胶涂层的厚度为50-300μm。
4.根据权利要求2所述的一种抑制枝晶生长的改性锌负极极片，其特征在于，所述二氧化硅气凝胶涂层制备原料包括主体功能材料、粘接剂、溶剂；其中所述主体功能材料、粘接剂和溶剂的质量比为7～8∶2：5-10。
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【专利技术属性】
技术研发人员：张彤，张锦城，姜炳春，金标，费强，
申请(专利权)人：广东科技学院，
类型：发明
国别省市：
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