【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水系锌离子电池电解液/负极界面调控，具体涉及一种自组装单分子膜复合锌电极及其制备方法和一种水系锌离子电池。
技术介绍
1、随着全球能源危机和环境污染等问题的日益严重，建立高效、清洁、可再生的能源储存系统已经成为世界各国关注的焦点。水系锌离子电池由于具有较高的理论容量(820mah g-1，5855ma h cm-3)和氧化还原电位低以及具有无毒、资源丰富等优点，成为下一代最有前景的安全储能器件之一。
2、然而，zn2+的不均匀沉积引起的枝晶生长严重降低了锌金属负极的稳定性。此外，在温和酸性水系电解液中，锌的腐蚀和水的分解产生副产物容易导致器件失效。因此，抑制锌枝晶生长和副反应的发生对水系锌离子电池的实际应用发展至关重要。
3、目前已经提出了多种调控界面引导锌均匀沉积和抑制副反应的方法，如三维电极结构设计、在锌金属阳极上构建表面涂层和电解液添加剂等。但上述方法仅限于宏观层面的设计，且制备过程复杂繁琐、参数难以调节。
4、因此，开发一种制备过程简单，且在分子水平上精确设计的改性锌负极材料是现有技术亟待解决的问题。近年来，研究表明含氟添加剂或表面改性有机溶剂能够在负极表面生成富的界面膜，从而显著的改善界面膜的稳定性，因此含氟添加剂、溶剂近年来得到了广泛的关注。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种自组装单分子膜复合锌电极及其制备方法和一种水系锌离子电池，本专利技术的自组装单分子膜复合锌电极外层有氟代硫醇类有机物形成的单分子膜，该
2、为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：一种自组装单分子膜复合锌电极，包括锌片和复合在锌片外层的自组装单分子膜；所述自组装单分子膜的成分包括氟代硫醇类有机物。
3、进一步的，上述氟代硫醇类有机物是氟全部取代或部分取代h且分子结构中包括巯基官能团的一类非芳香化合物。
4、进一步的，上述氟代硫醇类有机物包括三氟甲基硫醇、2-(全氟己基)乙基硫醇、3-氟丙基硫醇、全氟丁基丙硫醇、全氟己硫醇、全氟辛硫醇和全氟癸硫醇中的一种。
5、本专利技术还提供了上述自组装单分子膜复合锌电极的制备方法，包括如下步骤：
6、步骤1：配置氟代硫醇类有机物混合溶液，搅拌均匀待用；
7、步骤2：将预处理后的锌片浸泡在氟代硫醇类有机物混合溶液中进行表面改性；
8、步骤3：将步骤2浸泡后的锌片清洗并吹干，存放在干燥惰性气体环境中，即为所述自组装单分子膜复合锌片，记为shf-zn。
9、进一步的，上述步骤1中，氟代硫醇类有机物混合溶液中的溶剂为乙醇、甲醇、乙醛、丙酮中的一种或者多种；其中氟代硫醇类有机物混合溶液中氟代硫醇类有机物的体积百分比在50％-100％之间。
10、进一步的，上述步骤2中，预处理锌片的方法为：将锌片使用丙酮和乙醇交替进行超声清洗10～30min且最后一次用乙醇清洗，其中超声功率为30～50w；最后将经乙醇超声清洗后的锌片立即放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为60～100℃，干燥时间为5～24h。
11、进一步的，上述步骤2中，浸泡在常压的通风橱中进行，其中氟代硫醇类有机物混合溶液温度为25～60℃，浸泡时间为1～48小时；步骤3中，清洗的方法是：使用水和无水乙醇交替浸泡清洗2～6遍且最后一次使用无水乙醇；干燥在60～100℃进行真空干燥，时间为5～24h；存放在干燥惰性气体环境中是指存放在充满氩气手套箱中，水和氧含量均小于0.1ppm。
12、本专利技术还提供了一种水系锌离子电池，包括本专利技术提供的自组装单分子膜复合锌电极和电解液，电解液为znso4、zn(cf3so3)2、zncl2和zn(tfsi)2中的一种，电解液的浓度为1-3m，电解液添加量为100-150μl。
13、进一步的，上述水系锌离子电池中，自组装单分子膜复合锌电极作为正极和负极，与玻璃纤维隔膜、电解液组装成水系锌离子扣式对称电池。
14、进一步的，上述水系锌离子电池中，自组装单分子膜复合锌电极作为负极；选取正极活性材料与超导碳、粘结剂、分散剂制备成均匀浆料，并涂敷于集流体上，干燥后得到正极；将正极、玻璃纤维隔膜、自组装单分子膜复合锌电极和电解液封装为水系锌离子扣式全电池；其中正极活性材料为锰基、钒基、普鲁士蓝和有机聚合物中的一种；集流体为亲水碳纸、不锈钢网和钛箔中的一种。
15、与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
16、(1)本专利技术的自组装单分子膜复合锌电极中，将氟代硫醇类有机物混合溶液与表面处理后的锌片结合使两者形成包覆与被包覆结构，氟代硫醇类有机物分子分别能够与锌表面之间产生化学吸附作用，在锌表面形成致密、有序的分子膜，能有效诱导脱溶剂化，抑制锌枝晶生长，阻隔电解液中水对锌负极的腐蚀，实现对锌基电池锌负极的有效保护，提高锌基电池的电化学性能与循环寿命。由于硫醇类有机物可以通过于zn负极之间形成zn-s键而牢固吸附在zn负极表面，因此形成了所谓的单分子膜，保证其结构在应用过程中的稳定性。所以，单分子膜的厚度即为有机物的长度。
17、(2)本专利技术的自组装单分子膜复合锌电极中氟代硫醇类有机物分子与锌负极表面形成zn-f的人工双相界面，不仅促进了锌离子的均匀成核和高效沉积，同时作为保护层减少电池极化和析氢腐蚀的副反应，协同单分子层抑制锌枝晶的生长，提高锌负极与电解质之间的界面稳定性，显著提升锌离子电池的电化学性能。
18、(3)本专利技术的自组装单分子膜复合锌电极中，所选用的氟代硫醇类有机物分子既能够产生一定的空间位阻，阻隔zn与电解液中的水分子接触，有效减轻zn负极的腐蚀，同时，能够克服较长的链长导致的浓度梯度差异过大而限制离子传导的情况。
19、(4)本专利技术的自组装单分子膜复合锌电极制备方法中，在锌片表面自组装的电化学活性单分子层，制备工艺操作简单，条件单一可控，易于实现规模化生产，是一种低成本高效的保护负极的方法。
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1.一种自组装单分子膜复合锌电极，其特征在于，包括锌片和复合在锌片外层的自组装单分子膜；
2.根据权利要求1所述的自组装单分子膜复合锌电极，其特征在于，
3.根据权利要求2所述的自组装单分子膜复合锌电极，其特征在于，
4.一种根据权利要求1-3中任一权利要求所述的自组装单分子膜复合锌电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
5.如权利要求4所述的自组装单分子膜复合锌电极的制备方法，其特征在于，步骤1中，氟代硫醇类有机物混合溶液中的溶剂为乙醇、甲醇、乙醛、丙酮中的一种或者多种；其中氟代硫醇类有机物混合溶液中氟代硫醇类有机物的体积百分比在50％-100％范围内。
6.如权利要求4所述的自组装单分子膜复合锌电极的制备方法，其特征在于，步骤2中，预处理锌片的方法为：将锌片使用丙酮和乙醇交替进行超声清洗10～30min且最后一次用乙醇清洗，其中超声功率为30～50W；最后将经乙醇超声清洗后的锌片立即放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为60～100℃，干燥时间为5～24h。
7.如权利要求4所述的自组装单分子膜复合锌电
8.一种水系锌离子电池，其特征在于，包括权利要求1-3中任一权利要求所述的自组装单分子膜复合锌电极和电解液，电解液为ZnSO4、Zn(CF3SO3)2、ZnCl2和Zn(TFSI)2中的一种，电解液的浓度为1-3M，电解液添加量为100-150μL。
9.根据权利要求8所述的水系锌离子电池，其特征在于，自组装单分子膜复合锌电极作为正极和负极，与玻璃纤维隔膜、电解液组装成水系锌离子扣式对称电池。
10.根据权利要求8所述的水系锌离子电池，其特征在于，自组装单分子膜复合锌电极作为负极；选取正极活性材料与超导碳、粘结剂、分散剂制备成均匀浆料，并涂敷于集流体上，干燥后得到正极；将正极、玻璃纤维隔膜、自组装单分子膜复合锌电极和电解液封装为水系锌离子扣式全电池；其中正极活性材料为锰基、钒基、普鲁士蓝和有机聚合物中的一种；集流体为亲水碳纸、不锈钢网和钛箔中的一种。
...【技术特征摘要】
1.一种自组装单分子膜复合锌电极，其特征在于，包括锌片和复合在锌片外层的自组装单分子膜；
2.根据权利要求1所述的自组装单分子膜复合锌电极，其特征在于，
3.根据权利要求2所述的自组装单分子膜复合锌电极，其特征在于，
4.一种根据权利要求1-3中任一权利要求所述的自组装单分子膜复合锌电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
5.如权利要求4所述的自组装单分子膜复合锌电极的制备方法，其特征在于，步骤1中，氟代硫醇类有机物混合溶液中的溶剂为乙醇、甲醇、乙醛、丙酮中的一种或者多种；其中氟代硫醇类有机物混合溶液中氟代硫醇类有机物的体积百分比在50％-100％范围内。
6.如权利要求4所述的自组装单分子膜复合锌电极的制备方法，其特征在于，步骤2中，预处理锌片的方法为：将锌片使用丙酮和乙醇交替进行超声清洗10～30min且最后一次用乙醇清洗，其中超声功率为30～50w；最后将经乙醇超声清洗后的锌片立即放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为60～100...
【专利技术属性】
技术研发人员：肖培涛，贠潇如，高宏景，陈宇方，郑春满，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：
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