[发明专利]一种锌基电池负极及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种锌基电池负极及其制备和应用，通过磁控溅射的方法将金属、金属合金、金属氧化物中的一种或二种以上靶材沉积到电极基底上，获得锌基液流电池负极；通过控制制备条件及电极的材料组成，使其具有显著的结晶控制功能、优异的电子电导率、稳定的结构、高的比表面积。可将其应用于水系及有机系锌基电池。

技术领域

本发明涉及锌基电池技术领域，特别涉及锌基电池负极。

背景技术

随着人们对可再生能源的需求持续增加，可再生能源地生产与利用存在一系列复杂的问题，将其配备大型能量存储系统被认为是切实可行的解决方案，目前，储能电站市场前景广阔。但是，较多用于电力存储的锂电池还存在一些安全隐患，例如可能会发生爆炸，大规模储能系统的安全性问题还需解决。

金属锌具有较负的电极电势、两电子转移反应、高的溶解度、快速的动力学、良好的循环性、丰富的储量及较为廉价的特性，使锌基电池具有常温常压下操作、无有害物质排放、较高的安全性、高能量转化效率及低成本，使其成为大规模储能的理想选择，锌基电池受到广泛关注，且极具应用前景。目前，金属锌被应用于诸多的储能系统中，比如Zn-ion、Zn-Ce、 Zn-Cl₂、Zn-I₂、Zn-Br₂、Zn-V、Zn-Fe、Zn-Ni、Zn-O₂等电池系统，其反应如下：

然而，锌基电池金属锌负极却限制了其快速发展，使其大规模商业化面临巨大挑战。金属锌在负极发生溶解/沉积反应，使其在循环过程中发生严重的形状变化，对电池结构造成破坏；锌在负极集流体上快速地电化学结晶，会使金属锌在集流体上分布不均匀，使锌枝晶快速增长并刺破隔膜使电池失效；反复循环形成疏松结构并在循环的过程中脱落，导致库伦效率与循环寿命的降低。所以，对金属锌电化学结晶行为的调控，使其均匀、致密、平滑的沉积将意义重大，且极具挑战。

发明内容

本发明目的在于制备一种高性能锌电极，通过控制制备条件及电极的材料组成，使其具有显著的结晶控制功能、优异的电子电导率、稳定的结构、高的比表面积。可将其应用于水系及有机系锌基电池。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高性能锌电极，由金属、金属合金、金属氧化物中的一种或二种以上为原料，通过磁控溅射技术，将金属、金属合金、金属氧化物中的一种或二种以上，在特定气氛下沉积到电极基底上，沉积厚度为10nm～5μm。使其可有效地防止锌电极形状的严重变化，抑制枝晶的生长，使金属锌更加致密且均匀的沉积。制备该电极的工艺过程简单，工艺环保，形貌及组成可控，容易实现批量生产，应用范围广。以此组装的电池具有很好的库伦效率与循环寿命。

所述的金属为镁、铝、钛、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锆、锡、铅、铋、银中的一种或二种以上。

金属合金为镁、铝、钛、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锆、锡、铅、铋、银中的二种或三种以上金属合金。

所述特定气氛为氩气、氮气、氧气、氢气中的一种或两种。

所述的电极基底包括铜箔、铝箔、镍箔、钛箔、铁箔、锌箔、银箔、金银合金箔、泡沫铜、泡沫镍、泡沫钛、多孔金箔、碳纸、碳布、碳纤维、碳毡、石墨电极、玻碳电极。

所述的高性能锌电极用于锌基电池中。

所述的锌基电池包括水系和/或有机系锌离子电池、锌-铈电池、锌-氯电池、锌-碘电池、锌-溴电池、锌-钒电池、锌-铁电池、锌-镍电池、锌-空气电池。

所述具有锌电化学结晶调控功能电极采用如下步骤制备：

(1)将待镀电极基底分别用乙醇、丙酮、水清洗后，至于真空烘箱30～100℃，烘干2～12 小时；