[发明专利]具有锌离子电导性界面修饰层的锌负极、电池以及制备方法

说明书

本发明提供一种具有锌离子电导性界面修饰层的锌负极、电池以及制备方法，属于水系锌电池金属锌负极领域，在空气气氛下，将一类界面修饰材料M预先构筑在基膜上，在润湿液浸润的环境下，通过基膜上的界面修饰材料M层与金属锌两者之间紧密接触并形成短路原电池，触发两者发生自发氧化还原反应，从而使界面修饰材料从M转换为具有锌离子导电性的Zn_xM，同时界面修饰材料层从基膜上转移至金属锌负极的表面，最终得到表面有锌离子电导性的Zn_xM界面修饰层的金属锌负极。该具有锌离子电导性的Zn_xM界面修饰层在锌电池充放电时能有效抑制锌负极的枝晶生长，实现对金属锌负极的界面稳定性的提升，同时改善水系锌电池的循环稳定性。本发明方法简单，具有较好的实际效果。

技术领域

本发明属于水系锌离子电池金属锌负极领域，具体涉及一种具有锌离子电导性界面修饰层的锌负极、电池以及制备方法。

背景技术

随着现代社会的高速发展，与日俱增的能源需求以及日发严重的环境污染问题，推动着绿色可持续能源地不断发展。锂离子电池作为新一代新能源电化学储能器件，在能源存储转换领域发挥着日益重要的作用。然而，锂离子电池在实际应用过程中存在的成本高昂以及安全问题，限制了其在大型电网以及电动汽车等领域的发展。促使人们寻找一种有望代替锂离子电池的、具有绿色安全、资源丰富、成本低的新型二次电池储能器件。

水系电解液相比于传统的有机电解液具有离子电导率高，安全，无毒，不可燃等优势，从而使得水系金属离子电池在近年来备受关注。另外，金属锌负极相比于其他金属负极具有理论容量高(820mAh g^-1)，标准电极电位低(-0.763V)，析氢过电位高，资源丰富，成本低，安全低毒性等优势。这使得水系锌离子电池(aqueous Zinc Ion Batteries，ZIBs)在众多水系金属离子电池中脱颖而出，被认为是目前最有前景的锂离子电池替代品之一，是目前储能领域的研究热点之一。

但是，水系锌离子电池在电化学循环过程中，面临锌负极的枝晶生长以及锌负极与电解液界面副反应等问题，导致电池失效、容量衰减、循环寿命降低等一系列问题，严重影响水系锌离子电池的电化学性能，这很大程度上限制了水系锌离子电池的应用发展。因此，如何改性锌负极的界面稳定性是水系锌离子电池应用发展的关键。

近两年来，通过在金属锌负极表面构筑一层界面修饰层来实现对金属锌负极界面改性被认为是一种有效改善金属锌负极循环性能的方法，并且已有不少关于锌负极界面改性方法的报道(比如专利文献CN110364732A、CN110752365A、CN109713213A、CN110444730A等)。这些界面修饰层通常能够隔绝电解液与金属锌负极的直接接触以抑制副反应的发生，并通过物理阻隔来抑制枝晶生长，但因界面修饰材料本身不具备锌离子的电导性，从而无法实现对锌负极界面处锌离子的化学调控，即无法从根本上调控锌离子的均匀扩散和抑制枝晶的生长趋势。比如，利用单原子沉积技术(Atomic Layer Deposition，ALD)在锌负极表面沉积一层TiO₂，有效解决了锌负极与电解液界面的副反应问题，改善了锌负极的界面稳定性，但类似的无机氧化物材料其因本身并不具备锌离子电导性，会对离子的迁移造成阻碍，从而无法实现大电流密度下的性能优化。另外该方法对设备要求高，且成本高，对其商业化大规模生产造成限制(Advanced Materials Interfaces,2018,5,1800848)。

因此，对界面修饰材料以及界面修饰层制备工艺的研究和设计对于水系锌离子电池中锌负极的界面改性研究颇具意义。

发明内容