带有微通道的锌负极及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种带有微通道的锌负极及其制备方法与应用，属于金属电池材料领域，本发明专利技术提供的带有微通道的锌负极包括双梯度电极，双梯度电极包括亲水导电层和疏水绝缘层，在亲水导电层和疏水绝缘层之间具有三维微通道图案。本发明专利技术提供的带有微通道的锌负极能有效优化电场分布、Zn

【技术实现步骤摘要】
带有微通道的锌负极及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及金属电池材料领域，具体而言，涉及一种带有微通道的锌负极及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]在过去几十年里，虽然锂离子电池已经取得了令人瞩目的发展，但是金属资源稀缺，价格昂贵和安全风险高等大大限制了其在未来的应用。可充电水系锌离子电池(AZIBs)因其锌负极安全性高、自然资源丰富和理论容量高等多种优势而被广泛认为是一种有前途的可靠替代方案。
[0003]然而，水系锌离子电池的锌负极存在着电镀/剥离可逆性差和枝晶生长的问题，所以其循环稳定性不理想，此外，锌负极还面临着水溶液电解质中副反应和腐蚀的问题。这些问题会大大降低库仑效率(CE)和容量，而且容易形成尖锐的树枝状物，导致电池失效。
[0004]为了解决上述问题，一个有效的方法是构建人工保护层。据报道，诸如ZnS、ZnF2、Sn、PVB和MXene等材料可以有效地抑制副反应的发生，并提高稳定性。然而，当局部电场变大，电极表面出现凸点时，仍然可以观察到树枝状物的快速生长(热点效应)。特别是在高电流/容量下，因此它们只在低电流/容量下工作良好。构建三维锌负极是另一种有前途的稳定锌负极的方法。三维结构可以有效地增加比表面积以获得更多的反应位点，并降低局部电场强度以实现均匀的锌沉积。例如，陈等人通过使用商业碳布作为三维支架制备了AgNPs@CC电极，该电极实现了良好的锌沉积行为和长循环稳定性。张等人提出了一种具有多通道晶格结构和超亲水表面的三维镍锌电极，它有效地改善了电场分布，诱导了锌的均匀沉积。在另一项工作中，利用ITO模板构建了具有微孔的三维锌负极，这也实现了良好的锌的空间选择沉积。设计具有梯度结构的三维锌负极可以有效地促进局部电荷传输动力学，并优化锌的沉积过程。例如，沈等人准备了一个三维梯度锌负极，底部是Cu泡沫，中间是Ni泡沫，顶部是NiO涂层，这使得Zn/Zn
2+
反应电阻从底部到顶部逐渐增加。该梯度锌负极有效地避免了顶部表面树枝状晶体的生长，并在3mA cm
‑2下显示出250小时的稳定循环。然而，由于梯度电极使用金属泡沫作为支架，结构的跨尺度变化和非均匀的微/纳米孔可能会扰乱Zn
2+
离子的扩散并减缓电荷转移。此外，最终的锌负极需要进一步的锌沉积过程，这不仅使电极的制备过程变得复杂，而且非活性泡沫占据了很多重量，从而牺牲了能量密度。
[0005]因此，开发一种新的锌负极梯度设计策略将具有非常重要的现实意义，它可以很好地控制锌的沉积并抑制副反应发生，最终在高电流/容量下获得稳定的循环性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的问题是在高电流、高容量应用环境下，如何使电池负极稳定、可循环。
[0007]为解决上述问题，本专利技术第一方面提供一种带有微通道的锌负极，所述锌负极包括双梯度电极，所述双梯度电极包括亲水导电层和疏水绝缘层，所述亲水导电层位于三维
微通道图案底部，所述疏水绝缘层覆盖在三维微通道图案顶部。疏水绝缘层可以增加锌基底和电解质之间的界面自由能，亲水导电层有助于氧化还原和电解质的渗透。这两者都有助于抑制金属锌与水电解质的副反应。同时，疏水绝缘层阻止了锌在顶部表面的沉积，而底部的亲水导电层更容易引发电子
‑
离子交换。梯度导电性有效地诱导电场分布、锌离子通量和局部电流密度向微通道底部移动，从而实现理想的金属锌自下而上的沉积行为；此外，亲水导电层可以使锌的成核和沉积过程均匀，进一步抑制枝晶的生长，因此，本专利技术提供的带有微通道锌负极可以显示出良好的电化学特性。
[0008]优选地，三维微通道图案可以确保金属锌自下而上沉积，疏水绝缘层可以阻止锌在顶部表面沉积，亲水导电层可以引发电子
‑
离子交换，双梯度结构可以有效诱导电场分布、Zn
2+
离子通量和局部电流密度向微通道底部移动，从而实现理想的金属锌自下而上的沉积行为。
[0009]优选地，所述亲水导电层的材质选自铜、银、铋、锡、金中的任意一种。
[0010]优选地，所述疏水绝缘层的原料选自聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚全氟乙丙烯中的任意一种。
[0011]进一步地，本专利技术第二方面提供一种前述带有微通道的锌负极的制备方法，包括以下步骤：
[0012]S1：在锌箔表面生成亲水导电层；
[0013]S2：在亲水导电层的锌箔上压印三维微通道图案；
[0014]S3：在三维微通道图案上生成疏水绝缘层，得到带有微通道的锌负极。裸露的锌箔在电解液中会发生严重的腐蚀和副反应，而且沉积的锌是不均匀的，因此容易形成锌枝晶，循环性能差，本专利技术提供的锌负极可以更好地降低局部电场强度。
[0015]优选地，所述步骤S1中，亲水导电层采用置换法制备。
[0016]优选地，所述步骤S2中，所述三维微通道图案采用模具压印制备。
[0017]优选地，所述步骤S2中，三维微通道图案的制备方法为：将带有三维微通道的模具压印在亲水导电层的锌箔上，即获得三维微通道图案。
[0018]进一步地，本专利技术第三方面提供一种电池，所述电池包括前述带有微通道的锌负极。
[0019]将本专利技术提供的带有微通道的锌负极应用于电池，相比于传统电池，本专利技术提供的带有微通道的锌负极的电池具有更好的稳定性。
[0020]本专利技术具备的有益效果：本专利技术提供的带有微通道的锌负极具有双梯度电极，这使得三维微通道形成梯度微通道，有效地优化了电场分布、Zn
2+
离子通量和局部电流密度，从而实现理想的自下而上的金属锌的沉积行为。不仅实现了可控的、均匀的锌沉积，而且还防止了顶部枝晶生长可能造成的短路，由此得到了高稳定性的锌电池负极；本专利技术在整个制备过程中，不涉及高温或复杂的后处理，而且压印三维微通道图案的模具可以简单地重复使用，这有效地简化了制造过程并降低了成本。该制备方法便捷、高效，适于进行大规模生产；本专利技术提供的电池具有三维微通道的双梯度负极，具有稳定性高、容量高、可循环性能强等诸多优点。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例1制得的带有微通道的锌负极的扫描电镜图；
[0022]图2为本专利技术实施例2中PVDF
‑
Sn@Zn梯度电极的在15mAh
·
cm
‑2容量沉积Zn后的扫描电镜图；
[0023]图3为本专利技术实施例2和对比例1制得的对称电池的循环性能测试图；
[0024]图4为本专利技术实施例2制得的对称电池在充放电循环100次后锌负极的扫描电镜图；
[0025]图5为本专利技术实施例3和对比例2制得的全电池的循环性能测试图。
具体实施方式
[0026]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本专利技术的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本专利技术的实施方法和典型参数，而不用于限定本专利技术所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带有微通道的锌负极，其特征在于，所述锌负极包括双梯度电极，所述双梯度电极包括亲水导电层和疏水绝缘层，所述亲水导电层位于三维微通道图案底部，所述疏水绝缘层覆盖在三维微通道图案顶部。2.如权利要求1所述的带有微通道的锌负极，其特征在于，所述三维微通道图案呈阵列式排布。3.如权利要求1所述的带有微通道的锌负极，其特征在于，所述亲水导电层的材质选自铜、银、铋、锡、金中的任意一种。4.如权利要求1所述的带有微通道的锌负极，其特征在于，所述疏水绝缘层的原料选自聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚全氟乙丙烯中的任意一种。5.一种如权利要求1～4任一所述的带有微通道的锌负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在...

【专利技术属性】
技术研发人员：官操，马菲，曹庆贺，高勇，张海峰，
申请(专利权)人：西北工业大学宁波研究院，
类型：发明
国别省市：