[发明专利]原位快速生长的多功能锌负极保护层的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种原位快速生长的多功能锌负极保护层的制备方法及其应用，所述方法包括如下步骤：一、配制表面修饰溶液A；二、配制表面修饰溶液B；三、在表面修饰溶液A搅拌条件下缓缓倒入表面修饰溶液B；四、制备除锈液；五、将锌金属极片浸泡进步骤四中的除锈液中；六、封住步骤五得到的锌极片的一面；七、将步骤六得到的锌极片浸泡进步骤三中的修饰液中，得到带有修饰层的锌负极。本发明通过化学沉积法在锌金属负极表面原位生成与锌基底结合紧密的界面层，该改性层厚度均匀、分布均匀，可以有效消除锌负极表面缺陷，引导锌离子均匀沉积，抑制枝晶的生长，且阻碍氢气的析出，有利于锌负极稳定循环，从而提高电池的电化学性能和循环寿命。

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，涉及一种原位快速生长的多功能锌负极保护层的制备方法及其应用。

背景技术

作为有前途的储能系统，水性锌离子电池（ZIBs）具有高安全性、低成本和环境友好的特点，将成为大规模部署的有力候选者。此外，锌金属阳极由于其较高的理论容量（质量容量820mAh g^-1，体积容量5855mAh cm^-3），低还原电位（相对于标准氢电极（SHE）为-0.762 V）而备受关注。然而，由于镀锌不均匀/剥离会导致短路并严重影响电池寿命。

最近，在解决锌枝晶生长方面取得了一些进展，包括电解质添加剂、三维集电器和人工改性层。其中，引入人工改性层作为阳极涂层是一种有前途的策略，例如：引入纳米CaCO₃和ZrO₂改性层可以分别有效地构建均匀的离子传输通道和成核位点。尽管这些方法在一定程度上抑制了树枝状结晶，但大多数都需要多步操作并且非常耗时，不适用于快速连续制造。此外，锌通常沉积在改性层下方，这些改性层与基材的粘合力有限，这将导致改性层在循环过程中断裂甚至脱落。同时，这些改性层阻碍了其快速成型。锌离子的传输在某种程度上限制了高电流密度下稳定的长周期。

氢逸出是镀锌过程中另一个不可避免的问题，它将导致电池膨胀和电解质变干，从而导致电池故障。此外，氢的产生将导致局部pH值升高并促进惰性Zn₄SO₄（OH）6·xH₂O的形成。这种寄生反应不仅会导致锌的额外损失，还会破坏电极表面的均匀性，从而限制电池的循环寿命。因此，找到一种快速、连续的制备方法来制备迫切需要能同时抑制枝晶生长和氢气析出的改性层。

发明内容

本发明针对水系锌离子电池负极稳定性较差，在循环过程中出现枝晶生长以及析氢问题，提供了一种原位快速生长的多功能锌负极保护层的制备方法及其应用。本发明通过化学沉积法在锌金属负极表面原位生成与锌基底结合紧密的界面层，该改性层厚度均匀、分布均匀，可以有效消除锌负极表面缺陷，引导锌离子均匀沉积，抑制枝晶的生长，且阻碍氢气的析出，有利于锌负极稳定循环，从而提高电池的电化学性能和循环寿命。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种原位快速生长的多功能锌负极保护层的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将锌离子配位沉积型添加剂和表面活性剂溶于溶剂中，配制表面修饰溶液A，其中：锌离子配位沉积型添加剂为含铬物质（铬酸根盐、重铬酸根盐、铬酐、三氯化铬等）、稀土物质（铈盐、镧盐、镨盐等）和磷酸根盐、磷酸氢根盐、钼酸根盐、钛酸盐、钨酸盐、硅酸盐、单宁酸中的一种或几种，质量百分数为0.1~10%；表面活性剂为阴离子表面活性剂（直链烷基苯磺酸钠和α-烯基磺酸钠等）、脂肪醇硫酸酯类表面活性剂、磺酸化物、非离子表面活性剂中的一种或几种，质量百分数为0.1~10%；溶剂为水、醇类中的一种或几种；

步骤二、将氧化剂溶于溶剂中，配制表面修饰溶液B，其中：氧化剂为酸性介质氧化剂（硝酸、硫酸、磷酸等无机酸，过氧化氢、过氧乙酸、重铬酸钠、高锰酸钾、过硫酸铵）、碱性介质氧化剂（次氯酸钠、过碳酸钠、过硼酸钠、过硼酸钾）中的一种或几种，质量百分数为0.1~10%；溶剂为水、醇类中的一种或几种；