【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于锌电池和锌离子超级电容器，具体涉及一种具有梯度功能结构的锌负极及其制备方法与应用。
技术介绍
1、在众多可替代锂电池的选择中，锌基电池因其成本低、资源丰富、理论容量高、电镀/剥离电位低等，在储能系统中展现出强大的竞争力。
2、在锌负极方面，由于反应过程中的成核不均匀、生长方式不可控、界面的离子通量和局部电流密度失调等会导致锌的枝晶、腐蚀和钝化等问题，而这是导致能量密度降低和循环不稳定的最主要原因。因为在重复的电镀或剥离中，由于不可控的电沉积造成了枝晶的形成，击穿隔膜和电极，导致电池发生短路。这三个问题密不可分、互相促进，腐蚀产生的副产物和析氢反应将影响离子传输的均匀性，使更多的枝晶得以生长，而这些枝晶同样也增加锌负极的比表面积，从而加剧腐蚀和析氢反应的发生。
3、然而，目前很多研究都是将直接裸锌箔用作负极，在反应过程中锌的不均匀、不规则沉积会加速枝晶生长，严重影响锌电池性能。因此迫切需要开发一种可以引导锌均匀沉积的锌负极结构，通过梯度选择性沉积来提升锌负极工作稳定性，进而大幅度提高锌基电池的电化学性能。
技术实现思路
1、针对现有技术中锌负极调控存在的问题，本专利技术提供一种具有梯度功能结构的锌负极及其制备方法与应用；本专利技术所制备的锌负极可以有效提升凹槽部分的离子扩散速率，从而调节离子通量和局部电流密度，实现锌的选择性沉积。该电极起到了抑制枝晶生长和耐析氢腐蚀的作用，具有优异稳定性的电化学性能。
2、本专利技术的目的通过以下技术
3、一种具有梯度功能结构的锌负极，包括主凹槽与副凹槽；所述主凹槽为沟槽结构，相邻两个主凹槽之间的槽壁外翻形成副凹槽；所述槽壁外翻处于槽壁的延长线上，所述槽壁外翻为毛细结构。
4、其中，所述槽壁外翻将主凹槽和副凹槽隔开。毛细结构指结构表面存在一定的毛细力，具有亲水性，水接触角小于90度。
5、不同的结构可以通过加快扩散速率，增大离子通量和局部电流密度，从而引导锌离子在此结构的优先反应，使锌离子沉积有选择性。本专利技术的梯度功能结构由于不同结构的离子通量和局部电流密度不同，导致锌离子在不同表面上的反应速率有差异，使锌选择性的优先沉积在主凹槽内部(优先底部，后槽壁)，其次沉积在副凹槽内部(优先底部)，最后沉积在槽壁外翻外表面和毛刺，而槽壁外翻外表面和毛刺的锌沉积远小于前者，对锌枝晶的梯度生长起到了极大的作用。
6、优选的，所述沟槽结构为线性沟槽结构、阵列沟槽结构、环形沟槽结构中的至少一种。线性沟槽结构指结构表面的沟槽呈线性分布；阵列沟槽结构指结构表面的沟槽呈网格阵列分布。
7、优选的，所述具有梯度功能结构的锌负极的厚度为0.3～0.6mm；所述主凹槽的深度(槽壁高度)为0.1～0.2mm，宽度(槽壁间距)为0.04～0.06mm；所述槽壁的厚度为0.04～0.06mm；所述副凹槽的深度(槽壁外翻高度)为0.05～0.1mm，宽度(槽壁外翻的间距)为0.03～0.05mm；所述槽壁外翻的厚度为0.01～0.015mm。
8、优选的，所述主凹槽为激光加工后形成的凹槽；所述槽壁外翻为激光加工后形成于槽壁延长线上的外翻锌金属。
9、上述的具有梯度功能结构的锌负极的制备方法，通过激光加工锌金属制备得到具有梯度功能结构的锌负极；所述激光加工的加工线间距为0.08mm-0.15mm，所述激光加工的激光直径为0.04～0.06mm。
10、优选的，所述激光加工的加工线间距为0.08～0.12mm。
11、进一步优选的，所述激光加工的加工线间距为0.1mm，
12、优选的，所述锌金属为锌片，锌片的厚度为0.3～0.6mm。
13、优选的，所述激光加工的激光机器包括红外纳秒激光机、紫外纳秒激光机、皮秒激光机和飞秒激光机。
14、优选的，所述激光加工的填充方式为平行填充、网格填充和环形填充中的至少一种，扫描速度为100mm/s-1000mm/s，加工次数为5-20次，输出功率为4～16kw。
15、进一步优选的，所述激光加工的扫描速度为500mm/s，加工次数为10次，输出功率为10kw。
16、优选的，所述激光加工的焦距为223mm。
17、上述的具有梯度功能结构的锌负极在制备锌电池和锌离子超级电容器(锌基储能器件)中的应用。
18、优选的，所述锌电池为锌空气电池、锌空气复合电池、锌离子电池或软包锌电池；
19、进一步优选的，所述锌离子电池为锌-v2o5电池。
20、与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
21、(1)本专利技术创造性地提出了一种具备梯度功能的结构，解决了锌负极沉积、生长不均匀、不可控的问题。本专利技术提出的梯度功能结构可以通过离子扩散速率的差异，调节锌离子通量和局部电流密度，从而引导锌负极的选择性生长，实现抑制枝晶的作用。
22、(2)本专利技术提出的梯度功能结构通过界面功能层优化可以有效提升锌负极沉积界面稳定性，抑制析氢腐蚀。
23、(3)本专利技术提出的具有梯度功能结构的锌负极及其加工方法，适用于绝大多数的锌金属电极，且可操作性强，加工过程稳定，成本可控，特别适合大规模应用。
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1.一种具有梯度功能结构的锌负极，其特征在于，包括主凹槽与副凹槽；所述主凹槽为沟槽结构，相邻两个主凹槽之间的槽壁外翻形成副凹槽；所述槽壁外翻处于槽壁的延长线上，所述槽壁外翻为毛细结构。
2.根据权利要求1所述的具有梯度功能结构的锌负极，其特征在于，所述沟槽结构为线性沟槽结构、阵列沟槽结构、环形沟槽结构中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的具有梯度功能结构的锌负极，其特征在于，所述具有梯度功能结构的锌负极的厚度为0.3～0.6mm；所述主凹槽的深度为0.1～0.2mm，宽度为0.04～0.06mm；所述槽壁的厚度为0.04～0.06mm；所述副凹槽的深度为0.05～0.1mm，宽度为0.03～0.05mm。
4.根据权利要求1所述的具有梯度功能结构的锌负极，其特征在于，所述主凹槽为激光加工后形成的凹槽；所述槽壁外翻为激光加工后形成于槽壁延长线上的外翻锌金属。
5.权利要求1-4任一项所述的具有梯度功能结构的锌负极的制备方法，其特征在于，通过激光加工锌金属制备得到具有梯度功能结构的锌负极；所述激光加工的加工线间距为0.08mm-0.1
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述激光加工的加工线间距为0.08～0.12mm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述激光加工的激光机器包括红外纳秒激光机、紫外纳秒激光机、皮秒激光机和飞秒激光机；
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述激光加工的填充方式为平行填充、网格填充和环形填充中的至少一种，扫描速度为100mm/s-1000mm/s，加工次数为5-20次，输出功率为4～16KW。
9.权利要求1-4任一项所述的具有梯度功能结构的锌负极在制备锌电池和锌离子超级电容器中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述锌电池为锌空气电池、锌空气复合电池、锌离子电池或软包锌电池；所述锌离子电池为锌-V2O5电池。
...【技术特征摘要】
1.一种具有梯度功能结构的锌负极，其特征在于，包括主凹槽与副凹槽；所述主凹槽为沟槽结构，相邻两个主凹槽之间的槽壁外翻形成副凹槽；所述槽壁外翻处于槽壁的延长线上，所述槽壁外翻为毛细结构。
2.根据权利要求1所述的具有梯度功能结构的锌负极，其特征在于，所述沟槽结构为线性沟槽结构、阵列沟槽结构、环形沟槽结构中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的具有梯度功能结构的锌负极，其特征在于，所述具有梯度功能结构的锌负极的厚度为0.3～0.6mm；所述主凹槽的深度为0.1～0.2mm，宽度为0.04～0.06mm；所述槽壁的厚度为0.04～0.06mm；所述副凹槽的深度为0.05～0.1mm，宽度为0.03～0.05mm。
4.根据权利要求1所述的具有梯度功能结构的锌负极，其特征在于，所述主凹槽为激光加工后形成的凹槽；所述槽壁外翻为激光加工后形成于槽壁延长线上的外翻锌金属。
5.权利要求1-4任一项所述的具有梯度功能结构的锌负极的制备方法，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁伟，薛岚琛，武旭扬，周扬帆，李纯，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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