[发明专利]一种锌负极、制备方法及基于该锌负极的水系锌基电池

说明书

本发明公开了一种离子、电子混合导体包覆的锌负极及其制备方法。本发明通过旋涂法或者刮刀法，将离子、电子混合导体层包覆在锌负极上。离子、电子混合导体层由离子导体材料、电子导体材料组成。本发明还包括基于该锌负极的水系锌基电池，包括锌负极作为负极、水溶液为电解液。本发明还包括一种旋涂机。本发明提出了一种简单且适用范围广的技术，有效抑制了锌负极在循环过程中枝晶的生长，抑制了副反应的发生，稳定了电极/电解质的界面，延长了电池的使用寿命，提高了电池的电化学性能。

技术领域

本发明属于电化学能源材料技术领域，具体涉及一种锌负极、制备方法及基于该锌负极的水系锌基电池。

背景技术

二次电池池作为储能装置，在替代石油方面取得了大的进展，并且被广泛应用于消费电子领域和电动车等领域。目前应用最广范是锂离子电池，但锂资源稀缺，同时锂离子电池由于使用有机电解液，存在严重的安全隐患，在大规模储能电站上的应用受到严重阻碍。相比之下，水系锌基电池由于金属锌具有较高的理论容量（820 mAh g^-1）、较低的氧化还原电势（相对于标准氢电极为-0.76 V）、储量丰富、成本低、回收方便、安全环保等优势，在未来大规模储能领域中展现出良好的应用前景。

但是，与锂负极类似，锌在电镀/剥离的过程中，不均匀的沉积会导致不规则锌枝晶的形成，导致电池短路。除此之外，副反应也会影响电池的循环性能。

目前，表面改性是优化锌负极的重要手段之一。能够调节锌离子传输，具有锌离子通道的涂层称为离子导体涂层。公布号为CN109980226A的中国发明专利申请便是离子导体涂层改性。在该专利申请中，中国科学院青岛生物能源与过程研究所提出一种使用聚酰胺光亮剂涂层改性的锌负极。光亮剂层不但可以诱导锌离子均匀传输，还可以缓解副反应。但改性后的涂层会导致极化偏大，影响电池的倍率性能。此外，能够均匀锌负极界面电子分布的涂层称为电子导体涂层。公开号为CN109713213的中国发明专利申请便是电子导体涂层。在该专利申请中，中国科学院上海硅酸盐研究所、上海硅酸盐研究所中试基地提出了纳米碳材料修饰锌负极。纳米碳材料具有比表面积大、多孔和导电性高的优点，能降低局部电流密度，提供成核位点。但随着循环进行，锌离子会倾向于沉积在锌负极表面，从而易形成枝晶。而同时具有离子、电子导体包覆的锌负极还未被提出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锌负极、制备方法及基于该锌负极的水系锌基电池，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种锌负极，包括

锌负极基材以及包覆在所述锌负极基材表面用于导通离子和电子传输的离子、电子混合导体，所述离子、电子混合导体包括离子导体材料和电子导体材料。

优选的是，所述的锌负极包括：锌片、多孔锌、锌/碳复合材料及锌合金；所述锌/碳复合材料中碳源来自于包含中间相碳微球石墨、天然石墨、膨胀石墨、人造石墨、玻璃碳、碳纤维（例如碳纳米纤维）、硬碳、软碳、活性炭、多孔碳、碳布、碳纸、三维石墨、炭黑、碳纳米管（例如单壁碳纳米管、多壁碳纳米管）、石墨烯（例如石墨烯片）和以上碳材料的改性材料中的一种或多种，优选活性炭、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米纤维、碳纸、石墨烯片和碳布中的一种或多种，更优选活性炭、碳纳米纤维和石墨烯片中的一种或多种；所述锌合金包括锌与银、铜、金、汞、锡、铝、镁、镉、铅、钛及锑金属的一种或多种形成的合金。

上述任一方案中优选的是，所述离子导体材料包括聚合物/锌盐复合材料、无机材料中的一种或多种的组合；

所述聚合物/锌盐复合材料中的聚合物包括海藻酸钠、纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸及尼龙中的一种或多种的组合；

所述聚合物/锌盐复合材料中的锌盐包括三氟甲磺酸锌、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺锌、四氟硼酸锌、六氟磷酸锌、六氟砷酸锌、高氯酸锌、双乙二酸硼酸锌、氯酸锌、磷酸锌、硝酸锌、硫酸锌、乙酸锌和氯化锌中的一种或多种的组合；