[发明专利]具有高循环稳定性的锡保护三维锌金属负极的制备及应用

说明书

本发明涉及具有高循环稳定性的锡保护三维锌金属负极的制备及应用，通过同步液相沉积在锌表面构建具有独特三维孔洞结构和亲锌性的均匀金属锡层，以解决锌负极中关键的反应界面问题。与现有技术相比，本发明利用Sn(OTf)subgt;2/subgt;对锌金属负极快速改性的策略在对称电池和不对称电池的性能测试中都能产生积极影响，使其表现出更加优异的长循环稳定性、较高的容量保持率以及更平整的沉积面，为能实现制备高稳定性水系锌离子电池提供了新的设计方案。

技术领域

本发明属于电极材料制备技术领域，涉及一种具有高循环稳定性的锡保护三维锌金属负极及其制备与应用。

背景技术

为响应现代生活方式日益增长的需求，开发安全且具经济的储能技术已成为现代社会的必然趋势。弱酸性水系锌离子电池被认为是未来很有前途的储能系统，可用于下一代大型储能设备和生物相容性电子产品。其原因在于它们安全无毒的水系电解质，最重要的是，金属锌的成本低且资源丰富。迄今为止，因锌的高理论容量(820mAh g^-1)和合适的氧化还原电位(-0.76V vs SHE，标准氢电极)，锌金属负极在水系锌离子电池中占据主导地位。然而，因为金属锌的高化学反应活性和电池充电过程中难以控制的锌电沉积物的形态等关键问题，给开发基于锌金属负极的实用性弱酸性水系锌离子电池造成了巨大的障碍。

锌金属负极表面不受控制的界面异质电沉积主要源于其反复剥离和电镀过程中的不均匀成核和晶体生长。由于电极/电解质界面是电化学反应的场所，合理的界面工程对解决锌金属负极不稳定的物理化学性质表现出巨大的潜力。构建人工固体电解质界面是提高循环稳定性和防止电化学寄生反应发生的重要策略。尽管在目前的锌金属负极的人工固体电解质界面层设计和应用中已经取得了许多成就，但大多数报道的合成策略依赖于复杂的非原位过程，并引入了离子电导率差的偶联聚偏二氟乙烯。不幸的是，很少有人关注锌金属负极的人工固体电解质界面合成过程中的能量和时间消耗，这与人工固体电解质界面的功能一样重要。因此，开发节能省时的方法，并在锌金属负极上构建合适的人工固体电解质界面，是实现具有高经济效益的水系锌离子电池的直接方法。此外，为了满足锌金属负极的电化学可逆性，具有高锌亲和力和均匀晶体取向的人工固体电解质界面层的精准设计同样至关重要。通过自发的电置换反应构建的亲锌金属层(如锡和铟)可以有效降低成核势垒，以促进金属锌的均匀生长。然而，这些传统的二维金属人工固体电解质界面无法适应体积膨胀，因此很难在连续的锌沉积过程中保持较高的稳定性。

如中国专利CN112736238A公开了一种用于锌金属电池/电容器的锡-锌负极材料及其制备方法，由以下步骤制备而成：步骤1：将普通锌片打磨，使之失去钝化层；步骤2：制备锡盐溶液；取1mol锡盐溶于去离子水中，定容前用浓盐酸滴加至溶液刚好澄清透明后定容到1000mL；步骤3：将锌片浸泡在上述均一溶液中，常温常压下浸泡30s；待反应结束后，即得到用于锌金属电池/电容器的锡-锌负极材料。这种制备方法有以下三点不足：1、步骤繁琐，需要对锌片进行打磨去除钝化层；2、锡盐的用量很大；3、该方法制备出的电极镀层缺少三维孔洞结构。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种具有高循环稳定性的锡保护三维锌金属负极及其制备与应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一提供了一种具有高循环稳定性的锡保护三维锌金属负极的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取Sn(OTf)₂溶解于去离子水中，配成Sn(OTf)₂溶液；

(2)取预处理后的Zn片置于步骤(1)中的Sn(OTf)₂溶液中浸泡，随后取出清洗烘干，得到Sn@3D-Zn负极，即为目标产物。

进一步的，步骤(1)中，Sn(OTf)₂溶液的浓度为0.01～0.05mol/L。