[发明专利]一种锌金属保护层材料及其制备方法、应用

说明书

本发明涉及纳米材料和能源存储及转化技术领域，尤其涉及一种锌金属保护层材料及其制备方法、应用，将金属锌置于金属离子溶液进行金属置换反应，取出后洗涤，干燥后即得锌金属保护层材料；所述金属离子溶液中金属的金属活动性顺序在锌之后。本发明制得的锌金属保护层材料能够提供更多的活性位点、调节电极表面的电场分布、抑制枝晶生长，从而赋予该锌负极低的成核过电势、低的极化电压、高的循环稳定性和库伦效率，进而实现高的锌可逆性，有望在储能、催化等领域中发挥重要作用，具有潜在的应用前景。

技术领域

本发明涉及纳米材料和能源存储及转化技术领域，尤其涉及一种锌金属保护层材料及其制备方法、应用。

背景技术

可充电锌基电池，由于金属锌具有高的体积容量(5854Ah/L)、高的质量容量(820mAh/g)、与非易燃性水系电解液兼容和丰富的自然储量等特点，成为锂离子电池的潜在替代品，受到科研界和工业界的广泛关注。目前已经有大量可充电锌基电池正极材料被开发利用，包括各种金属氧化物(例如MnO₂、V₂O₅、MoO₃、Co₃O₄等)、层状硫化物、普鲁士蓝类似物和有机材料等。

但是，围绕锌金属电极的几个关键科学问题仍然阻碍了可充电锌基电池的进一步应用：1)不均匀的镀锌/剥离导致Zn枝晶的生长，这可能会刺穿隔膜并造成内部短路；2)锌枝晶的生长常常伴随着竞争性的氢释放，这限制了锌负极的库仑效率(CE)；3)水分解产生的大量OH^-离子会导致锌腐蚀和钝化，从而进一步降低锌负极的利用率和可循环性。因此，水系锌基电池的进一步突破在于无枝晶锌负极的发展，以实现高度可逆的镀锌/剥离。

近年来，为解决上述问题研究者做出了巨大的努力并提出了多种方法来实现无枝晶的锌负极，主要集中在两个方面：(1)改善集流体上的金属沉积。在集流体上诱导一些金属亲和修饰层有利于金属离子的吸附，引导沉积并进一步缓解枝晶生长。(2)优化金属与电解质的界面。人工固体电解质界面(SEI)或具有较低金属亲和力的附加层可作为保护层来限制枝晶生长。基于此，改性锌负极的各种修饰层和保护层被报道，如金属化合物(ZnO、TiO₂、CaCO₃、ZnS等)、聚合物(PA、PAM、PVDF等)、碳材料(多孔碳、石墨烯、碳纳米管等)、金属有机框架化合物(ZIF-8、UiO-66等)、合金(Zn/In、Zn/Cu等)等等。但是目前大多数方法存在操作繁琐、条件苛刻、成本高等问题，同时保护层本身不导电或因涂覆时不导电粘结剂引入导致电化学动力学缓慢从而影响储锌性能。

综上所述，如何在一般条件下，利用普通的设备仪器，在相对温和的条件下，获得高性能的锌负极是目前该应用领域亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术中存在的问题，提供了一种锌金属保护层材料的制备方法，该方法条件温和、操作简单、合成周期短、所用试剂来源广泛，成本低，易于产业化。

本发明还提供了一种由上述制备方法制得的锌金属保护层材料，该材料能够提供更多的活性位点、调节电极表面的电场分布、抑制枝晶生长，从而赋予该锌负极低的成核过电势、低的极化电压、高的循环稳定性和库伦效率，进而实现高的锌可逆性。

本发明还提供了一种锌金属保护层材料在水系锌离子电池中的应用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种锌金属保护层材料的制备方法，将锌板置于金属离子溶液进行金属置换反应，取出后洗涤，干燥后即得锌金属保护层材料；所述金属离子溶液中金属的金属活动性顺序在锌之后。