[发明专利]一种Nafion/Zn-LSX沸石复合涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种Nafion/Zn‑LSX沸石复合涂层的制备方法及应用，包括如下过程：将LSX沸石分子筛与含Zn²⁺的溶液进行共热反应，发生离子交换过程，反应完成后，抽滤、干燥，重复多次以上操作，然后进行煅烧，制得Zn‑LSX沸石分子筛，该Zn‑LSX沸石分子筛为含Zn²⁺的LSX沸石；将Nafion溶液、所述Zn‑LSX沸石分子筛以及有机溶剂混合形成涂覆液附着于锌片表面，烘干后在锌片表面制得Nafion/Zn‑LSX沸石复合涂层；表面附着有Nafion/Zn‑LSX沸石复合涂层的锌片应用于水系锌离子电池的负极，能够有效抑制副反应和Zn枝晶的形成。

技术领域

本发明涉及涂层技术领域，具体涉及一种Nafion/Zn-LSX沸石复合涂层及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池(LIBs)以其优异的电化学性能被广泛应用于电动汽车和电子产品中。然而，由于使用易燃易爆的有机电解质，传统锂离子电池存在极大安全隐患。因此，人们希望开发更安全的电池。Konarov将水作为电解质，得到水锌电池(AZBs)，具有无毒、成本低等诸多优点。一直以来，对AZBs的研究都集中于如何提高正极材料的电导率来提高电池的电容量、循环稳定性和使用寿命等。虽然通过加入锰的氧化物和钒化合物等活性材料能在一定程度上帮助解决上述问题，但Zn金属阳极上的枝晶生长和析氢反应(HER)现象仍不可避免。而当AZBs的电解质为ZnSO₄溶液时，随着锌电池的使用，会形成惰性Zn₄(OH)₆SO₄·5H₂O化合物，导致锌电池的电容量减少和电池短路，十分不利于AZBs的实际应用。

为解决上述问题，人们主要通过抑制阳极枝晶的形成和减少副反应提高电池的电容量和使用寿命等性能。前者可通过在Zn阳极表面附着涂层，如CaCO₃层、SiO₂层、多孔炭层、石墨烯层等无机涂层或有机涂层等，通过调节阳极表面的电流和电解质通量来一直阳极枝晶的形成。减少副反应的方法是用Zn(CF₃SO₃)₂代替ZnSO₄、或使用电解质添加剂等。但无机涂层韧性差，在多次循环充放电后容易断裂；有机涂层则刚性差，其官能团的疏水性会导致电解质扩散被限制，使阳极的极化电位急剧增加；另外过渡亲水的有机涂层又容易在电解质中溶解，导致对Zn阳极的保护失效。

综上所述，目前已报道的方案均不能完全有效地抑制枝晶的形成和减少副反应发生。

发明内容

为了解决水系锌离子电池中产生的枝晶和副反应的技术问题，而提供一种Nafion/Zn-LSX沸石复合涂层及其制备方法和应用。本发明方法提供的复合涂层为Nafion与Zn-LSX沸石分子筛混合的有机/无机复合涂层，将本发明的复合涂层涂覆于锌负极表面制成水系锌离子电池能够有效地抑制副反应和Zn枝晶的形成。

为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种Nafion/Zn-LSX沸石复合涂层的制备方法，包括如下过程：

(1)Zn-LSX沸石分子筛制备：将LSX沸石分子筛与含Zn²⁺的溶液进行共热反应，发生LSX沸石分子筛中阳离子与溶液中Zn²⁺的离子交换过程，反应完成后，抽滤、干燥，重复所述共热反应、抽滤及干燥一系列过程多次，然后进行煅烧，制得Zn-LSX沸石分子筛，所述Zn-LSX沸石分子筛为含Zn²⁺的LSX沸石；

(2)Nafion/Zn-LSX沸石复合涂层制备：将Nafion溶液、所述Zn-LSX沸石分子筛以及有机溶剂混合形成涂覆液附着于锌片表面，烘干后在锌片表面制得Nafion/Zn-LSX沸石复合涂层。