一种锌金属负极的改性方法及其产品与应用技术

本发明专利技术公开了一种一种锌金属负极的改性方法及其产品与应用，包括以下步骤：a)将有机高聚物粉末与无机物粉末混合溶于有机溶剂中，搅拌得到混合浆料；b)将步骤a)中的混合浆料均匀涂于锌金属负极上，随后干燥，得到复合弹性涂层改性的锌金属负极。本发明专利技术中复合弹性涂层中的有机聚合物部分可以一定程度隔绝水分，减少副反应，并具有一定的弹性模量用来物理阻挡枝晶的生长。本发明专利技术中复合弹性涂层中无机纳米颗粒一般有两种，一种是具有高介电常数，由于麦克斯韦‑极化理论，可吸引锌离子,为锌的沉积提供更多的形核位点，另一种是具有亲锌特性，可均化离子流，引导锌均匀沉积。

【技术实现步骤摘要】
一种锌金属负极的改性方法及其产品与应用
本专利技术属于水系锌离子电池负极的
，具体涉及一种锌金属负极的改性方法及其产品与应用。
技术介绍
水性锌离子电池与具有安全性高、原料多，成本低和环境友好等优点，具有很广阔的市场应用前景。它一般采用廉价的金属锌作为负极，具有标准电极电位低，理论比容量高等特点，此外，锌电池多采用水系电解液，电池具有使用安全性显著高于采用有机电解质体系的锂离子电池，与铅酸电池相比，锌电池有具有更好的安全性和更低的价格，因而，锌电池具有突出的比较优势，可以很好的弥补现有电池体系的缺点。然而，由于锌金属在水系电解质中表现出较差的电化学和热力学稳定性，容易与电解液反应生成副产物(析氢)。在溶解与沉积的过程中，锌离子会优先沉积在尖端，从而产生枝晶，进而导致电池容量的衰减甚至短路，这些问题限制着水系锌离子电池的应用。
技术实现思路
针对目前锌金属负极在水系锌离子电池负中存在的析氢，枝晶等安全问题，本专利技术的目的是提供了一种利用复合的弹性涂层对锌金属负极的改性方法及其产品与应用。本专利技术这种锌金属负极的改性方法，包括以下步骤：a)将有机高聚物粉末与无机物粉末混合溶于有机溶剂中，搅拌得到混合浆料；b)将步骤a)中的混合浆料均匀涂于锌金属负极上，随后干燥，得到复合弹性涂层改性的锌金属负极。所述步骤a)中，有机高聚物粉末与无机物粉末混合的质量比为1:(1～4)，有机物与有机溶剂的质量比为1:(10～80)。所述步骤a)中，有机高聚物粉末为聚丙烯腈、聚偏二氟乙烯中的一种，优选的，有机高聚物粉末的分子量大于等于100万；无机物粉末为具有高介电常数、或者亲锌性的无机物，优选的，所述的无机物粉末为非晶纳米氮化硅、亲锌的TiO2中的一种；有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、1-甲基-2-吡咯烷酮中的一种。所述步骤b)中，混合浆料是通过滴涂，旋涂，涂布中的一种方法涂覆于锌金属负极上。所述步骤b)中，干燥为真空干燥或者鼓风干燥，干燥温度为30～60℃，干燥时间大于8h。所述步骤b)中，复合弹性涂层的弹性模量≥1GPa。根据上述的改性方法得到复合弹性涂层改性的锌金属负极。所述的复合弹性涂层改性的锌金属负极在锌离子电池中的应用。本专利技术的有益效果：1)本专利技术中复合弹性涂层中的有机聚合物部分可以一定程度隔绝水分，减少副反应，并具有一定的弹性模量用来物理阻挡枝晶的生长。2)本专利技术中复合弹性涂层中无机纳米颗粒一般有两种，一种是具有高介电常数，由于麦克斯韦-极化理论，可吸引锌离子,为锌的沉积提供更多的形核位点，另一种是具有亲锌特性，可均化离子流，引导锌均匀沉积。3)本专利技术中的改性方法简单，材料成本低，采用该方法制备的具有有机无机复合的弹性涂层能十分有效的延长电池的寿命；将其组装成对称电池，即使在高电流密度(10mAcm-2)和高面积容量(10mAhcm-2，DODZn＝60％)的情况下都能稳定循环250h。被涂层保护的锌与二氧化锰匹配成全电池，其性能优于裸锌，有十分可观的应用前景。附图说明图1为实施例1制得的复合弹性涂层改性的锌金属负极的俯视扫描电镜图。图2为实施例1制得的复合弹性涂层改性的锌金属负极的断面扫描电镜图。图3为实施例1中纳米非晶氮化硅的室温中介电常数与频率的关系；a)40～108Hz；b)107～108Hz。图4为实施例2中将实施例1中复合弹性涂层改性的锌金属负极浸泡在电解液7天后的扫描图。图5为实施例2中将对比例1中的裸锌箔浸泡在电解液中7天后的扫描图。图6为实施例2中在0.25mAcm-20.25mAhcm-2条件下，复合弹性涂层改性的锌金属负极(实施例1)和裸锌箔(对比例1)分别组装成对称电池的电压时间曲线对比图。图7为实施例2中在10mAcm-210mAhcm-2条件下，复合弹性涂层改性的锌金属负极(实施例1)和裸锌箔(对比例1)分贝组装成对称电池的电压时间曲线对比图。图8为实施例2制备的复合弹性涂层改性的锌金属负极(实施例1)与二氧化锰组装成的电池在500mAg-1的条件下，循环次数和放电比容量曲线，并给出的普通裸锌(对比例1)与二氧化锰循环次数和放电比容量曲线作为对比。具体实施方式实施例1取0.5g聚丙烯腈(PAN,Mw＝1300000)和0.5g商用纳米非晶氮化硅(Si3N4)粉末混于12mL的1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中搅拌加热溶解(40℃)，随后，移至室温下搅拌上述浆料一周，以形成均匀的浆料。将30μL制备的浆料滴涂到已裁剪的锌箔(直径15mm,厚度30μm)上制备出带聚丙烯腈与氮化硅混合涂层的极片，随后将制备的极片于45℃的真空干燥箱中干燥12h，得到复合弹性涂层改性的锌金属负极(PSN-Zn)。本实施例制备得到复合弹性涂层改性的锌金属负极(PSN-Zn)的扫描俯视图如图1所示，从图中可知：氮化硅与聚丙烯腈复合均匀形成了多孔基底。本实施例制备得到复合弹性涂层改性的锌金属负极(PSN-Zn)断面图如图2所示，涂层厚度仅为10μm，远低于已报道的大部分涂层的厚度。本实施例中采用的纳米非晶氮化硅有很高的介电常数，具体可见图3，在40～108Hz范围内，测出的介电常数都大于31。对本实施例制备得到的复合弹性涂层改性的锌金属负极的弹性性能进行测试，测得平均弹性模量为1.746GPa，具体见表1。表1对比例1取没有经过处理的锌箔(厚度30μm)，剪裁成直径15mm的圆极片，作为锌负极。实施例2性能测试1)耐腐蚀性能测试为了测试涂层抗电解液腐蚀能力，将实施例1制备的复合弹性涂层改性的锌金属负极(PSN-Zn)放在2MZnSO4的电解液中浸泡7天，被浸泡后PSN-Zn的扫描图片如图4所示，其表面没有观察到明显枝晶与副产物，与未浸泡的极片表面几乎没有差别。将对比例1中未被涂层保护的锌箔放在2MZnSO4的电解液中浸泡7天，被浸泡裸锌(Zn)的扫描图片如图5所示，可观察到明显的枝晶与副产物，腐蚀情况严重。2)制备得到的对称电池性能测试将实施例1中复合弹性涂层改性的锌金属负极(PSN-Zn)放在隔膜两边，组成对称电池；对比例1，将裸锌箔放在隔膜两边，组成对称电池。电解液采用2MZnSO4。实施例1和对比例1组成的对称电池在0.25mAcm-2和0.25mAhcm-2的条件下，其时间-电压曲线如图6，可看出被保护的锌组成的对称电池的寿命延长超过10倍。实施例1和对比例1组成的对称电池在10mAcm-2和10mAhcm-2的条件下，此时锌箔的放电深度达到了60％，其时间-电压曲线如图7，可看出实施例1中复合弹性涂层改性的锌金属负极(PSN-Zn)可稳定循环250h,远远高于裸锌的寿命。3)全电池的性能测试为了检测被涂层保护的锌的实际应用性能，将实施例1中复合弹性涂层改性的锌金属负极(PSN-Zn)与二氧化锰(MnO2)组装全电池,电解本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锌金属负极的改性方法，包括以下步骤：/na)将有机高聚物粉末与无机物粉末混合溶于有机溶剂中，搅拌得到混合浆料；/nb)将步骤a)中的混合浆料均匀涂于锌金属负极上，随后干燥，得到复合弹性涂层改性的锌金属负极。/n

【技术特征摘要】
1.一种锌金属负极的改性方法，包括以下步骤：
a)将有机高聚物粉末与无机物粉末混合溶于有机溶剂中，搅拌得到混合浆料；
b)将步骤a)中的混合浆料均匀涂于锌金属负极上，随后干燥，得到复合弹性涂层改性的锌金属负极。


2.根据权利要求1所述的锌金属负极的改性方法，其特征在于，所述步骤a)中，有机高聚物粉末与无机物粉末混合的质量比为1:(1～4)，有机物与有机溶剂的质量比为1:(10～80)。


3.根据权利要求2所述的锌金属负极的改性方法，其特征在于，所述步骤a)中，有机高聚物粉末为聚丙烯腈、聚偏二氟乙烯中的一种；无机物粉末为具有高介电常数或者亲锌性的无机物有；机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、1-甲基-2-吡咯烷酮中的一种。


4.根据权利要求3所述的锌金属负极的改性方法，其特征在于，所述的无机...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘安强，周双，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43