一种锌空电池的负极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种锌空电池的负极及其制备方法和应用。其中，锌空电池的负极包括集流体和设于集流体表面的负极涂层；负极涂层中包括锌基材料、粘结剂和液态金属。本发明专利技术提出的锌空电池的负极，能够有效缓解锌空电池中负极锌的不均匀沉积，进而有效避免锌枝晶的生成，还可有效避免氧化锌钝化层(不具备电化学活性)的生成以及析氢副反应的发生。本发明专利技术还提供了上述负极的制备方法和应用。供了上述负极的制备方法和应用。供了上述负极的制备方法和应用。

【技术实现步骤摘要】
一种锌空电池的负极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及二次电池材料
，尤其是涉及一种锌空电池的负极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]石油、煤炭等资源储量有限，且是不可再生资源。风能、潮汐能等属于可再生资源，但是其存在可控性差，若要实现工业化利用，需要借助储能设备。为缓解不可再生资源的大量消耗，商业上研发了多种二次电池，以用于可再生资源的储能，其中性能较为稳定、技术较为成熟的二次电池是锂离子电池。但是锂离子电池存在原料资源有限(例如锂和过渡金属等)、安全性差、成本高和能量密度有限等问题，因此，亟需开发新的二次电池，以满足高能量密度、高效率和低成本方面的要求。
[0003]锌空气电池采用锌基材料作为负极，氧还原和氧析出双功催化剂催化空气中氧气作为正极，锌空气电池的理论能量密度达到1086Wh/kg，远高于锂离子电池，而且，锌资源丰富，成本较低，因此锌空气电池在电化学储能领域具有非常大的应用前景。传统锌空气电池的锌负极存在锌枝晶、氧化锌钝化层、析氢副反应和不均匀沉积等问题，导致锌空气电池易短路且寿命短。尤其是深度放电时会生成氧化锌钝化层，导致充放电极化电位增加，降低能量效率等问题。为解决上述问题，高能量密度的锌负极采用锌膏或者氧化锌粉末，通过负极改性抑制锌负极问题，可以有效得到长循环寿命和高能量密度的锌空气电池。但是现有的锌空电池负极，依然容易产生锌枝晶、析氢反应和氧化锌钝化层等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种锌空电池的负极，能够有效缓解锌空电池中负极锌的不均匀沉积，进而有效避免锌枝晶的生成，还可有效避免氧化锌钝化层(不具备电化学活性)的生成以及析氢副反应的发生。
[0005]本专利技术还提供了上述负极的制备方法。
[0006]本专利技术还提供了一种包括上述负极的锌空电池。
[0007]本专利技术还提供了上述锌空电池的制备方法。
[0008]本专利技术还提供了上述负极或锌空电池的应用。
[0009]根据本专利技术第一方面的实施例，提供了一种锌空电池的负极，所述负极包括集流体和设于所述集流体表面的负极涂层；
[0010]所述负极涂层中包括锌基材料、粘结剂和液态金属。
[0011]根据本专利技术实施例的负极，至少具有如下有益效果：
[0012]锌空电池充电过程中电解液中锌离子和负极中氧化态的锌还原生成单质锌，放电过程负极中的单质锌氧化生成锌离子，或生成氧化锌附着在负极表面上。过程中单质锌的不均匀沉积，以及氧化锌的不均匀还原会导致锌枝晶的产生，锌枝晶会刺穿隔膜，带来安全问题，降低锌空电池的服役寿命。此外，锌空电池的负极上还会发生析氢副反应。和其他采
用锌基负极的二次电池相比，由于锌空电池的充电电位较高，因此其锌枝晶的生成情况以及负极上的析氢副反应更为严重。
[0013]本专利技术提供的负极中，包括液态金属(常温下为液态的金属)，该金属可以渗入负极内部，形成流动的保护层，液态的存在形式使保护层的分布更加均匀。放电时，液态金属的导电性能稳定负极电场分布，使金属锌均匀氧化生成蓬松的氧化锌(具备电化学活性)，同时液态金属进入氧化锌内部(填充空隙)，形成稳定的导电网络；充电时，液态金属形成的导电网络均匀了负极的电场分布，且空隙处的液态金属液作为氧化锌还原的成核位点，最终诱导氧化锌/锌离子均匀还原成锌金属。由此，液态金属的存在有效避免了氧化锌钝化层和锌枝晶的生成。同时，本专利技术提供的负极包括负极涂层，其中液态金属存在于负极的内部而不是表面，因此可从负极内部抑制锌枝晶晶种的生成，从而更加有效抑制锌枝晶的形成和生长，也可以有效降低锌空电池充放电过程中的过电位。
[0014]此外，由于液态金属可诱导锌的均匀沉积，因此相当于可自主修复锌空电池长循环后负极产生的裂纹，由此显著提升所得锌空电池的循环寿命。
[0015]在负极中发生锌的氧化还原过程中，流动的液态金属可以自行填补充放电过程形成的缝隙，防止锌基材料颗粒脱落。由此避免了锌基材料颗粒对电解液的影响，进一步延长了所得锌空电池的寿命。
[0016]液态金属的低析氢电位可以抑制氢析出提高能量效率。
[0017]本专利技术提供的负极中包括粘结剂，粘结剂可将所述液态金属困于负极内部，因此不会存在液态金属转移带来的短路等安全问题。
[0018]此外，负极中的锌基材料提供了锌源，集流体是导体。该负极的各部分相互协同作用，提升了所得锌空电池的倍率性能，循环寿命不低于1000小时。根据本专利技术的一些实施例，所述锌基材料包括单质锌、氧化锌、氢氧化锌、硫化锌、亚硫酸锌、碳酸锌、氯化锌、醋酸锌、硫酸锌、碘化锌、溴化锌、高氯酸锌、柠檬酸锌、硝酸锌、草酸锌、氟化锌、锡酸锌和硼酸锌中的至少一种。
[0019]根据本专利技术的一些实施例，所述锌基材料包括单质锌(Zn)、氧化锌(ZnO)、氢氧化锌(ZnOH)、碳酸锌(ZnCO3)、亚硫酸锌(ZnSO3)、氟化锌(ZnF2)和锡酸锌(ZnSnO3)中的至少一种。
[0020]根据本专利技术的一些实施例，所述锌基材料为单质锌和氧化锌的混合。具体的单质锌和氧化锌的比例为0.05～2:1；例如可以是1:10～11或1.5～2:1；进一步具体的可以是约5:3或7:73。
[0021]根据本专利技术的一些实施例，所述锌基材料为单质锌、氢氧化锌和亚硫酸锌的混合。
[0022]其中，单质锌和氢氧化锌的质量比为4～6:1，例如具体可以是约5:1；
[0023]单质锌和亚硫酸锌的质量比为:3～4:1，例如具体可以是约5:1.5。
[0024]根据本专利技术的一些实施例，所述锌基材料为单质锌、碳酸锌、锡酸锌和氟化锌的混合。
[0025]其中单质锌和碳酸锌的质量比为1:7～9；例如具体可以是约1:8；
[0026]单质锌和锡酸锌的质量比为1：0.5～0.7；例如具体可以是约5:3；
[0027]单质锌和氟化锌的质量比为1:0.3～0.5；例如具体可以是约5:2。
[0028]根据本专利技术的一些实施例，所述粘结剂包括烯烃类聚合物、聚硅氧烷、纤维素衍生
物、烯醇聚合物、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚酯、聚氨酯和全氟磺酸树脂(Nafion)中的至少一种。
[0029]其中烯烃类聚合物包括聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡胶(SBR)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(EPS)和聚氯乙烯(PVC)中的至少一种。
[0030]聚硅氧烷包括聚二甲硅氧烷(PDMS)；
[0031]纤维素衍生物包括羧甲基纤维素钠(CMC
‑
Na)；
[0032]烯醇聚合物包括聚乙烯醇(PVA)。
[0033]根据本专利技术的一些实施例，所述粘结剂包括聚四氟乙烯、聚乙烯醇、全氟磺酸树脂、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯和聚乙烯中的至少一种。
[0034]根据本专利技术的一些实施例，所述粘结剂为聚四氟乙烯。
[0035本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锌空电池的负极，其特征在于，所述负极包括集流体和设于所述集流体表面的负极涂层；所述负极涂层中包括锌基材料、粘结剂和液态金属。2.根据权利要求1所述的负极，其特征在于，所述液态金属包括汞基材料和镓基材料中的至少一种；优选地，所述液态金属包括汞、汞镓合金、汞镓锌合金、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锌合金、镓铟锡锌合金和汞镓铟锡合金中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的负极，其特征在于，所述负极涂层中所述液态金属的质量百分数为1～50％；优选地，所述负极涂层中所述液态金属的质量百分数为10～40％。4.根据权利要求1或2所述的负极，其特征在于，所述负极涂层中所述锌基材料的质量百分数为10～95％。5.根据权利要求1或2所述的负极，其特征在于，所述负极涂层中所述粘结剂的质量百分数为3～...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐保民，钟熊伟，黎芷彤，高乐怡，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：