金属电极的保护方法技术

本发明专利技术公开了一种金属电极的保护方法，采用物理气相沉积方法，将金属铜或者银喷于不锈钢及金属锌表面形成一层致密的保护层，同时在锌的电镀过程中产生金属可以与锌形成合金，更好的起到了对锌电极的保护，能极大化提高锌的库伦效率同时达到抑制锌枝晶的产生。在大电流及大容量条件下任然具有很好的稳定性。铜作为其中最有效的保护层，在库伦效率及对称电池性能方面都明显优于原始的锌。并且在全电池应用当中具有明显优势。本发明专利技术解决了库伦效率及锌枝晶的瓶颈，为锌金属负极的实际应用开辟了新的途径。

【技术实现步骤摘要】
金属电极的保护方法
本专利技术涉及一种电极的制备方法，特别是涉及一种锌电极的制备方法，锌电池
或者锌电化学装置

技术介绍
近年来，化石能源的不断消耗及其衍生的环境污染问题日益受到人们的重视。为了缓解上述问题，替代煤炭、石油、天然气等传统能源的可再生清洁能源的开发和有效利用已经成为重要的研究课题，如太阳能和风能等，新能源产业的发展势头也日益强劲。近几十年锂离子电池得到了迅猛发展，然而价格高昂、贫瘠的锂资源，有毒电解液及电池安全性问题引起了越来越多的关注，严重阻碍了锂离子电池进一步大规模的应用。目前人们开始对钠离子和钾离子电池的研究做出了巨大努力，但是安全性始终限制了这些储能电池的发展。基于以上的安全性考虑，使用水性电解质的可充电电池具有无与伦比的优势，因为它们的成本低，易于组装，安全性高以及离子电导率高(10-1–6Scm-1)，优于在有机电解质中(10-3-10-2Scm-1)。水系锌离子电池被认为有望替代非水系的锂或钠离子电池，主要在于其安全性及价格优势，水性锌离子电池的正极材料V2O5(价格约5.5美元每千克)和锰矿石(价格约0.005美元每千克)的原材料比锂离子电池的锂原材料便宜，Li(NiMnCo)O2价格为34美元每千克，LiCoO2价格为55美元每千克。与有机电解质相比，ZnSO4/H2O电解质的价格可以忽略不计，价格约7-20美元每千克。锌离子电池的成本低于65美元/千瓦时，比目前的锂离子电池便宜得多，为300美元/千瓦时。此外，在电化学反应过程中允许多个电子转移的多价水性锌离子电池提供了实现高能量和高功率密度的机会。水性锌离子电池的研究可以追溯到1986年，当时Yamamoto等人首次用硫酸锌电解质代替了碱性电解质，并着手进行可充电Zn|ZnSO4|MnO2电池的电化学行为。近年来，水性锌离子电池具有对环境无害，安全，在空气中组装方便，低成本和高容量的诱人属性，再次引起了人们的极大兴趣，包括对锌负极，电解质和正极材料的探索。然而，在电极甚至整个电池系统的开发中还存在许多难以估计的挑战，所有这些都需要考虑。有关水性锌离子电池的已发表文章更倾向于构筑电极材料，电解质和能量存储机制的最新进展，而不是面对这些问题并给出水性锌离子电池的潜在解决方案，负极极易溶解，静电相互作用的不良影响，副产物，锌枝晶，腐蚀和钝化。其中锌金属负极具有较低的电位(-0.76V相比于标准氢电位)及高的理论容量(820mAhg-1)。然而锌枝晶是限制金属锌负极应用的一个关键问题。如何克服锌枝晶及负极锌的利用率问题，为锌负极的实施提供一个合理的解决方法，这成为亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种金属电极的保护方法，通过物理气相沉积的方法，在金属锌及不锈钢表面均匀镀上一次金属保护层，并且金属保护层在电镀的过程中与锌形成合金，合金能起到诱导锌的均匀沉积以及极大化的提高锌电极的库伦效率，该方法工艺简单，价格便宜，易于实现产业化。为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用如下技术方案：一种金属电极的保护方法，包括以下步骤：a.在电极材料表面制备金属保护层：采用不锈钢或金属锌材料作为电极基体材料，利用物理气相沉积的方法，直接将保护层金属喷涂于不锈钢或金属锌表面，在不锈钢或金属锌的表面分别形成90-300纳米厚度的金属保护层；b.电极组件制备：将在所述步骤a中制备保护层的金属锌或不锈钢切割为直径不小于10毫米的金属锌片或不锈钢片，作为对称电池的电极及库伦效率测试中的工作电极，备用；c.电极组件的表面合金化过程：将在所述步骤b中切割的金属锌片或不锈钢片作为对称电池的电极或者库伦效率测试中的工作电极，采用水系电解液，电解液为浓度不低于3摩尔每升的硫酸锌溶液，在电解液中还添加硫酸锰，其中硫酸锰的浓度不低于0.1摩尔每升；利用电极、隔膜和电解液进行组装成电解装置或者电池装置，在进行首次电化学反应时，在电极表面发生电镀过程，使电极表面的保护层金属与电镀的锌发生合金化过程，从而使保护层形成合金层。能够有效诱导后续锌的沉积。作为本专利技术优选的技术方案，在上述步骤a中，所述保护层金属采用铜和银中任意一种金属材料或者两种金属材料制成。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤a中，当所述保护层金属采用铜时，进行物理气相沉积制备金属保护层的物理气相沉积温度为1200-1400℃，厚度不大于300纳米。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤a中，当所述保护层金属采用银时，进行物理气相沉积制备金属保护层的物理气相沉积温度为850-1200℃，厚度不大于170纳米。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤a中，进行物理气相沉积制备金属保护层时，控制进行物理气相沉积气氛压力不大于10-4Pa。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤c中，隔膜的材料采用玻璃纤维。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤c中，电极表面的合金层还能作为减小锌成核阻力、诱导锌的均匀沉积的复合材料。本专利技术与现有技术相比较，具有如下突出实质性特点和显著优点：1.本专利技术方法制备金属保护层可以在锌的电镀过程中与锌反应生成合金，合金能很好的降低锌成核阻力和诱导锌的均匀沉积及脱出，从而极大的提高了电池的库伦效率，抑制了锌枝晶的生成；2.本专利技术方法原位在锌表面形成合金层，对锌负极的库伦效率具有极大的提高，在大电流及大容量条件下任然具有很好的稳定性；3.本专利技术方法解决了库伦效率及锌枝晶的瓶颈，为锌金属负极的实际应用开辟了新途径。4.本专利技术方法工艺简单，容易实现，具有十分明显的经济效益。附图说明图1为本专利技术实施例1方法制备电极的SEM图。图2为本专利技术实施例2方法制备电极的SEM图。图3为本专利技术实施例3方法制备电极的SEM图。图4为本专利技术实施例4方法制备电极的SEM图。图5为本专利技术实施例5方法制备电极的XRD图。图6为本专利技术实施例6方法制备电极的过电位曲线图。图7为本专利技术实施例7方法制备电极和原始不锈钢电极制作的电池的循环性能对比图。图8为本专利技术实施例8方法制备电极和原始不锈钢电极制作的电池的循环性能对比图。图9为本专利技术实施例9方法制备电极和原始不锈钢电极制作的电池的循环性能对比图。图10为本专利技术实施例10方法制备电极和原始不锈钢电极制作的电池的循环性能对比图。图11为本专利技术实施例11方法制备电极和原始不锈钢电极制作的电池的循环性能对比图。图12为本专利技术实施例12方法制备电极和原始不锈钢电极制作的电池的循环性能对比图。图13为本专利技术实施例13方法制备电极和原始金属锌电极制作的电池的循环性能对比图。图14为本专利技术实施例14方法制备电极和原始金属锌电极制作的电池的循环性能对比图。图15为本专利技术实施例15方法制备电极和原始金属锌电极制作的电池的循环性能对比图。图16为本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属电极的保护方法，其特征在于，包括以下步骤：/na.在电极材料表面制备金属保护层：/n采用不锈钢或金属锌材料作为电极基体材料，利用物理气相沉积的方法，直接将保护层金属喷涂于不锈钢或金属锌表面，在不锈钢或金属锌的表面分别形成90-300纳米厚度的金属保护层；/nb.电极组件制备：/n将在所述步骤a中制备保护层的金属锌或不锈钢切割为直径不小于10毫米的金属锌片或不锈钢片，作为对称电池的电极及库伦效率测试中的工作电极，备用；/nc.电极组件的表面合金化过程：/n将在所述步骤b中切割的金属锌片或不锈钢片作为对称电池的电极或者库伦效率测试中的工作电极，采用水系电解液，电解液为浓度不低于3摩尔每升的硫酸锌溶液，在电解液中还添加硫酸锰，其中硫酸锰的浓度不低于0.1摩尔每升；利用电极、隔膜和电解液进行组装成电解装置或者电池装置，在进行首次电化学反应时，在电极表面发生电镀过程，使电极表面的保护层金属与电镀的锌发生合金化过程，从而使保护层形成合金层。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属电极的保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.在电极材料表面制备金属保护层：
采用不锈钢或金属锌材料作为电极基体材料，利用物理气相沉积的方法，直接将保护层金属喷涂于不锈钢或金属锌表面，在不锈钢或金属锌的表面分别形成90-300纳米厚度的金属保护层；
b.电极组件制备：
将在所述步骤a中制备保护层的金属锌或不锈钢切割为直径不小于10毫米的金属锌片或不锈钢片，作为对称电池的电极及库伦效率测试中的工作电极，备用；
c.电极组件的表面合金化过程：
将在所述步骤b中切割的金属锌片或不锈钢片作为对称电池的电极或者库伦效率测试中的工作电极，采用水系电解液，电解液为浓度不低于3摩尔每升的硫酸锌溶液，在电解液中还添加硫酸锰，其中硫酸锰的浓度不低于0.1摩尔每升；利用电极、隔膜和电解液进行组装成电解装置或者电池装置，在进行首次电化学反应时，在电极表面发生电镀过程，使电极表面的保护层金属与电镀的锌发生合金化过程，从而使保护层形成合金层。


2.根据权利要求1所述金属电极的保护方法，其特征在于：在所述步骤a中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴超，王官耀，张远俊，朱铭，张英，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31