[发明专利]一种具有功能性界面修饰层的金属锌负极及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种具有功能性界面修饰层的金属锌负极及其制备方法和应用，所述金属锌负极包括金属锌基体、以及包覆在所述金属锌基体表面的含有纳米级碳材料的功能性界面修饰层，所述纳米级碳材料包括碳纳米纤维、碳纳米管、纳米碳球和石墨中的至少一种。本发明以纳米碳材料（例如，碳纳米纤维、碳纳米管、纳米碳球、石墨等）用于制备金属锌负极的界面修饰层，所述的界面修饰层具有高比表面积、多孔结构以及优异的导电性。

技术领域

本发明具体涉及一种具有功能性界面修饰层的金属锌负极及其制备方法，属于锌电池技术领域。

背景技术

在能源日趋紧张的大背景下，世界各国都在着力研究绿色环保的新能源。与此同时，各种电子产品都是朝着小型化、超薄膜化的路线发展，对电池的能量密度要求越来越高，传统锂电池已经不能满足人类的需求，因此发展高比能量电池成为了未来电池研究的重点。

金属锌电池以其金属锌负极具有高能量密度、资源丰富、价格低廉、平衡电位低、环境友好等特点，可进行大电流充放电等优异性能，受到了广泛的关注。但是锌枝晶的生长限制金属锌电池大规模应用，针对锌枝晶这一问题，国内外学者已经做了大量研究。添加剂是一类常用的锌枝晶生长抑制剂，Stephen J(Banik S J,Akolkar R.Suppressingdendritic growth during alkaline zinc electrodeposition usingpolyethylenimine additive[J].Electrochimica Acta,2015,179:475-481.)等在电解液中加入聚乙烯亚胺(PEI)能对锌枝晶生长产生抑制作用，这是由于添加剂吸附在结晶物表面而阻碍了锌离子在锌结晶尖端放电，且锌结晶尖端附近锌离子浓度的积累加速了锌离子向沉积物间隙中转移，从而有利于沉积物向四周分形生长。Sun(Sun K E K,Hoang T K A,Doan T N L,et al.Suppression of Dendrite Formation and Corrosion on ZincAnode of Secondary Aqueous Batteries[J].ACS Applied Materials&Interfaces,2017,9(11):9681-9687.)等研究了十二烷基硫酸钠等添加剂对锌枝晶的影响，发现锌负极的形貌得到有效改善，电池循环性能明显提升。改善锌负极的结构，制备出多孔、高比表面积的锌负极也是抑制锌枝晶生长的有效途径。Parker(Parker J F,Chervin C N,Nelson ES,et al. Wiring zinc in three dimensions re-writes battery performance—dendrite-free cycling[J].Energy& Environmental Science,2014,7(3):1117-1124.)等报道了一种多孔的、3D结构的海绵状状的锌负极，对锌负极的利用率可以达到90％，并且可以有效的抑制锌枝晶的生长。 Chamoun(Chamoun M,Hertzberg B J,Gupta T,etal.Hyper-dendritic nanoporous zinc foam anodes[J].NPG Asia Materials,2015,7(4):e178.)等报道了一种泡沫锌负极，其大比表面有利于金属锌的沉积，锌制剂得到有效抑制。由上述研究可以得出改善金属锌负极与电解液界面的接触的结构，制备出多孔的、高比表面积的金属锌负极可以有效抑制锂枝晶的生长，提升电池的循环寿命。

发明内容

针对金属锌负极在电池循环过程中形成枝晶造成电池短路问题，本发明的目的在于提供一种具有功能性界面修饰层的金属锌负极及其制备方法和应用。

一方面，本发明提供了一种具有功能性界面修饰层的金属锌负极，所述金属锌负极包括金属锌基体、以及包覆在所述金属锌基体表面的含有纳米级碳材料的功能性界面修饰层，所述纳米级碳材料包括碳纳米纤维、碳纳米管、纳米碳球和石墨中的至少一种。