[发明专利]一种表面有机磷酸刻蚀复合亲锌性钝化膜改性锌金属负极及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及水系锌离子电池技术领域，具体涉及一种表面有机磷酸刻蚀复合亲锌性钝化膜改性锌金属负极及其制备方法与应用。所述制备方法为:利用有机磷酸酯类溶液与锌金属负极发生化学反应，刻蚀锌负极表面，在表面生成纳米锌颗粒重构负极表面形貌，同时在锌金属负极表面原位生成有机磷酸锌纳米级亲锌性螯合物钝化膜，得到改性锌金属负极。该化学反应能实现对所得锌金属负极材料表面结构的调控和产生稳定螯合物钝化膜，将本发明的改性锌金属负极材料应用于水系锌离子电池体系中能显著抑制锌负极枝晶生长、实现锌负极表面锌均匀致密沉积、抑制析氢腐蚀和大幅延长锌离子电池的循环寿命。

技术领域

本发明涉及水系锌离子电池技术领域，具体涉及一种表面有机磷酸刻蚀复合亲锌性钝化膜改性锌金属负极及其制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池(LIB)由于其高能量密度和长循环寿命，占据了目前商业化电池的主体地位，在移动电子设备、电动力汽车和大规模电网储能系统中存在着广泛的应用前景。但是锂离子电池也有显著的缺点，短缺的金属锂资源，高成本和苛刻的制备条件，有毒的有机电解质以及潜在的安全问题严重阻碍了它的进一步应用，这也促使研究人员将目光转向了其他金属离子电池，如钾、钠、镁和锌等。其中金属锌在自然界中储量丰富、平衡电位低、氢过电位高，且理论容量高(820mA·h/g)，锌是在水溶液里稳定的金属元素中能量最高的，此外还具有氧化还原电位低(-0.76V)、对环境友好等诸多优势。

锌离子电池在电化学反应过程中，锌离子可以携带更多的自由电荷，理论上其具有比锂离子电池更高的能量密度，在同样放电量下，正极材料脱嵌的离子更少，从而使材料晶体结构不易被破坏，保证了电极良好的稳定性，因此锌离子二次电池成为当下的研究热点。但是金属锌负极依然面临着一些不可忽视的问题，在电池循环过程中，金属锌负极面临着表面枝晶生长、缓慢腐蚀和钝化，以及不可避免的析氢等问题，造成电池容量衰减，库伦效率和循环稳定性下降，体积膨胀，甚至枝晶刺穿隔膜造成短路，带来安全问题等，严重阻碍了水系锌离子电池的发展与应用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明利用有机磷酸多磷酸基团的特点，与商业锌片发生化学反应刻蚀锌金属表面并原位生成有机磷酸锌，刻蚀产生的纳米锌颗粒使锌金属负极表面三维化，调控电场分布；有机磷酸锌中特殊磷酸基团具有高锌离子吸附能和低静电势的优势，构筑表面有机磷酸刻蚀复合亲锌性钝化膜改性的锌金属负极组装的水系电池，实现抑制水系环境下电化学腐蚀以及确保电极结构的高稳定性，获得高能量密度、长循环、低成本的锌离子电池。

为了达到上述目的，本发明实施例提供了一种表面有机磷酸刻蚀复合亲锌性钝化膜改性锌金属负极的制备方法，包括以下步骤：

S1:将锌片采用去离子水和有机溶剂进行超声清洗并烘干获得预处理锌片；

S2:将所述预处理锌片置于有机磷酸溶液中浸泡反应后，进行清洗、烘干获得改性锌金属负极。

进一步的，所述有机磷酸溶液的质量浓度为5-120g/L；所述有机磷酸为植酸、氨基三亚甲基膦酸(ATMP)、羟基乙叉二膦酸(HEDP)、乙二胺四甲叉膦酸(EDTMP)、二乙烯三胺五甲叉膦酸(DTPMP)和氨基三甲叉膦酸(ATP)中的任意一种。

进一步的，所述步骤S2中浸泡反应时间为5-40min。

进一步的，所述步骤S1的有机溶剂为污水乙醇、丙酮中的一种或两种；所述烘干条件为：真空，温度为20-40℃。

进一步的，所述步骤S2中清洗、烘干具体为：

采用去离子水或超纯水清洗；

在温度为20-40℃的真空条件下烘干。

基于同一发明构思的，本发明实施例还提供了一种表面有机磷酸刻蚀复合亲锌性钝化膜改性锌金属负极，所述改性锌金属负极由上述的制备方法获得；