[发明专利]一种合金骨架支撑锌金属负极及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种合金骨架支撑锌金属负极及其制备方法与应用，所述锌金属负极包括三维集流体基底及其表面包覆的锌基合金层以及锌复合层，所述方法包括以下步骤：步骤1：将三维集流体基底进行前处理；步骤2：配置Zn的混合溶液作为电解液；步骤3：将三维集流体作工作电极，锌片作对电极进行沉积处理，即得改性三维集流体；步骤4：将改性三维集流体与锌的复合，即得合金骨架支撑锌金属负极。本发明将三维集流体基底与合金层有效融合，调控锌离子在电池中的溶解/沉积行为，将其应用于水系锌离子电池中，能够均匀诱导锌沉积，抑制枝晶生成，保持较高的锌沉积脱出可逆性，提高复合锌金属负极稳定性和循环性。

技术领域

本发明涉及水系锌离子电池技术领域，特别涉及一种合金骨架支撑锌金属负极及其制备方法与应用。

背景技术

随着全球能源危机的加剧和环境的恶化，发展高效能源储存系统势在必行。锂离子电池因其优异的电化学性能广泛应用在手机、电脑等电子设备中，但也受到金属锂的稀缺以及有机电解液的安全性问题等制约。水系锌离子电池因其制备简单、成本低廉、质量和体积容量高、且可快速充放电而受到越来越多的关注，已经成为锂离子电池的潜在替代品。金属锌具有导电性高、安全环保、平衡电位低(-0.76Vvs标准氢电极)以及理论比容量高(820mAh/g)等优势，一直是水系储能装置中最理想的负极候选者。

但直接采用锌作为负极材料在充放电过程中也存在着锌枝晶的问题，严重影响着锌离子电池的循环寿命，目前就这一问题，主要有三种解决手段：锌负极表面改性，电解液改性以及集流体改性。集流体因其化学惰性以及良好的导电性是研究者们的首选，其中三维集流体可以降低实际电流密度，是减少枝晶形成的有效途径。然而，传统的三维集流体与锌的亲和性不高，并且现有的亲和层存在制备过程繁杂、有机层难以引入等问题，因此，设计构建新型三维集流体改性的锌金属负极对进一步研究锌枝晶的生长行为和抑制方法以及开发高性能锌金属二次电池具有重要的科学意义。

发明内容

本发明提供了一种合金骨架支撑锌金属负极及其制备方法与应用，借助电场辅助的方式，在三维集流体表面沉积包覆一层锌基合金层对三维集流体进行改性，然后将改性的三维集流体与锌复合，得到稳定性和循环性优异的锌金属负极，从而大幅提高电池的库伦效率与循环寿命。

为了达到上述目的，本发明提供了一种合金骨架支撑锌金属负极，包括改性三维集流体及其表面的锌复合层，所述改性三维集流体包括三维集流体基底及其表面包覆的锌基合金层。

优选地，所述三维集流体基底为不锈钢网、镍网、钛网、铜网、碳网中的一种。

优选地，所述锌基合金层包括锌铜合金和锌银合金中的一种或多种。

优选地，所述锌铜合金包括Cu₅Zn₈和CuZn₅中的一种或多种，所述锌银合金为AgZn₃。

，更为优选地，所述锌铜合金层为CuZn₅。

本发明还提供了上述合金骨架支撑锌金属负极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将三维集流体基底进行前处理；

步骤2：配置含锌离子及合金元素离子的混合溶液作为电解液；

步骤3：将步骤1得到的三维集流体作工作电极，锌片作对电极，在步骤2得到的电解液中进行沉积处理，即得改性三维集流体；

步骤4：将步骤3得到的改性三维集流体作为正极，与锌箔组装成电池，进行放电处理，实现改性三维集流体与锌的复合，即得合金骨架支撑锌金属负极。

优选地，所述前处理具体为：将三维集流体基底裁剪，然后依次用酸、水、醇超声清洗，再干燥。