【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于能源存储，具体为一种具有高极限电流密度且无锌枝晶的锌金属电池。
技术介绍
1、近年来，随着可再生能源技术的快速发展，对高效、环保的能源存储系统的需求日益增加。水系锌离子电池因其高安全性、低成本和环境友好性受到广泛关注。目前，水系锌离子电池的锌负极材料主要包括锌片或锌箔、锌粉以及电沉积负极。然而，水系锌金属电池的锌负极存在一些难以解决的问题，主要涉及枝晶生长、析氢和腐蚀等，这些问题会严重影响电池整体的性能。
2、为解决水系锌金属电池的上述问题，研究者已经探索了多种策略，如设计锌负极的结构、优化电解液成分、开发新型隔膜及进行界面工程。其中，通过在锌负极上实施界面工程，利用人工界面的方法可以提高电池性能，改善电池的循环寿命和安全性。这包括增加电解液对电极的润湿程度、降低枝晶生长风险、促进反应速率、以及防止锌负极与电解液直接接触，从而抑制副反应的发生。因此，人工界面的构建已成为一种重要的保护策略。与自发形成的界面相比，人工界面可以精确控制其组成和结构，从而有效抑制锌枝晶的生长和电解质的分解。例如，引入与锌晶格高度匹配的材料有助于降低锌晶体在(002)方向生长的能量障碍，促进锌的水平生长；通过设计选择性离子或纳米孔隙的人工界面，zn2+的迁移路径可以得到有效控制。
3、然而，人工界面材料修饰后的极片在实际应用到电池中仍面临诸如极片对电解液的润湿性差、可承受电流密度不够高等问题，例如电池在极限电流密度不够大，在高电流密度下的充放电过程中，锌负极周围形成的大离子浓度梯度容易导致枝晶的形成，从而影响电池的电
技术实现思路
1、针对
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供了一种具有高极限电流密度且无锌枝晶的锌金属电池，技术方案为：包括：正极壳、弹片、垫片、正极片、隔膜、负极片、负极壳；其中由正极壳和负极壳围成的腔体中，由正极壳方向至负极壳方向依次设有弹片、垫片、正极片、负载有电解液的隔膜和负极片；
2、所述负极片包括锌箔及紧密粘附于该锌箔表面的取向mxene基网络，其中取向mxene基网络为mxene纳米片包覆的聚合物微球和聚合物粘结剂经热压处理而形成的密实层，该密实层在热压过程中与锌箔紧密结合，形成一体化结构；所述负极片与电解液的接触角为40°～50°。
3、所述mxene纳米片包括：mxene-碳化钛、mxene-碳氮化钛、mxene-碳化钒、mxene-碳化钼、mxene-碳化铌、mxene-碳化钽、mxene-碳化钨、mxene-碳氮化钛、mxene-碳化钼、mxene-碳化铌；
4、所述碳化钛包括ti3c2和ti2c；所述碳氮化钛包括ti3cn和ti2cn；所述碳化钒包括v2c和v4c3；所述碳化钼包括mo2c和mo1.33c；所述碳化铌包括nb2c和nb4c3；所述碳化钽包括ta4c3；所述碳化钨包括w2c和w1.33c；所述碳氮化钛包括ti3cn；所述碳化钼包括mo2c；所述mxene-碳化铌包括nb2c。
5、所述聚合物微球包括：正电性的聚氨酯微球、聚乙烯微球、聚丙烯微球、聚氯乙烯胶凝微球、聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球、聚丙烯酸微球、聚丙烯酸酯微球、聚乙二醇微球、环氧树脂微球、酚醛树脂微球、聚二甲基硅氧烷微球、天然高分子微球等有机微球
6、所述聚合物粘结剂包括：聚乙烯、聚丙烯、聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚已内酯、聚乙烯醇、聚吡咯、聚醚磺酮、氟化聚偏氟乙烯、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚氨酯、改性橡胶。
7、所述改性橡胶包括改性sbr橡胶、氟化橡胶。
8、所述mxene纳米片与聚合物微球的质量比介于1:500～1:1。
9、所述mxene纳米片与聚合物粘结剂的质量比介于1:20～1000:1。
10、所述导向型mxene基网络呈膜状形态，且厚度介于5～50000nm。
11、所述负极片的制备方法为：
12、静电自组装：电负性的mxene纳米片与正电性的聚合物微球在静电引力作用下自组装形成mxene纳米片包覆聚合物微球；
13、混合：将静电自组装所得mxene纳米片包覆聚合物微球均匀分散在溶解有聚合物粘结剂的有机溶液中，形成均一的分散液；
14、喷涂：将所述均一分散液喷涂在锌箔表面，并通过真空干燥除去有机溶剂，使mxene纳米片包覆聚合物微球和聚合物粘结剂均匀附着于锌箔表面；
15、热压：通过热压处理使mxene纳米片包覆聚合物微球和聚合物粘合剂形成密实的导向型mxene基网络层，并紧密黏附于锌箔表面。
16、所述热压步骤在高温加压下进行，热压温度为50～500℃，压强为10～5000mpa。
17、本专利技术的有益效果在于：
18、1)本专利技术提出的锌金属电池，由于其取向导锌离子均匀电子材料修饰的负极材料，枝晶较少，从而拥有以下效果：(1)电池内部结构更均匀，可以减少枝晶的形成，降低电池内部阻抗，提高充放电效率，减少能量损失；(2)能够减少枝晶在充放电过程中的变化和扩散，提高电池的稳定性能；(3)减少枝晶可以降低电池在充放电过程中的内部应力和损耗，延长电池的循环寿命，提高电池的可靠性和使用寿命；(4)有助于减少热点和安全隐患，提高电池的安全性能，减少发生意外的风险；(5)电池内部结构更加紧凑，可以提高电池的能量密度，实现更高的能量存储和输出能力。
19、2)本专利技术锌电池的负极中采用的特殊修饰层，提高了电解液对锌负极片的润湿性，锌负极片与电解液的接触角可缩小至40°～50°。提供取向的高速离子传输通道，并引导zn2+均匀成核、生长，优化了电池的电化学反应动力学，从而使锌金属电池展现出更高的放电容量和更出色的倍率性能。
20、3)密实的特殊均匀锌离子均匀电子修饰层不仅隔离了金属锌与电解液的直接接触，减少了金属锌的腐蚀(析氢反应)，而且提供取向的高速离子传输通道，使锌离子均匀传输、沉积，有效地抑制锌枝晶的生长，从而提高电池的长期稳定性、可靠性和安全性，减少了更换或维护的频率。
21、4)密实的特殊均匀锌离子均匀电子修饰层提高了电池的极限电流，使得电池能够提供更高的功率输出，适用于需要瞬时高电流输出的应用，如电动工具、电动汽车等。使得电池通常具备快速充放电的能力，可以在短时间内完成充电或放电过程，提高电池的使用效率，此外还使得电池能够应对较高的负载需求，如大功率设备或高性能电子产品的需求，确保设备正常运行。总的来说，特殊均匀锌离子均匀电子修饰层修饰的电池适用于需要高功率输出、快速充放电、高负载需求和高能量密度要求的应用领域，为这些领域提供更强大的支持。
22、5)本专利技术取向导锌离子均匀电子材料修饰的锌电池负极的制备方法中mxene纳米片及其包覆的聚合物微球和mxene间聚合物粘合剂在高温高压下均易发生形变，共同形成一层完本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有高极限电流密度且无锌枝晶的锌金属电池，其特征在于，包括：正极壳(1)、弹片(2)、垫片(3)、正极片(4)、隔膜(5)、负极片(6)、负极壳(7)；其中由正极壳(1)和负极壳(7)围成的腔体中，由正极壳(1)方向至负极壳(6)方向依次设有弹片(2)、垫片(3)、正极片(4)、负载有电解液的隔膜(5)和负极片(6)；
2.根据权利要求1所述的一种具有高极限电流密度且无锌枝晶的锌金属电池，其特征在于，所述MXene纳米片包括：MXene-碳化钛、MXene-碳氮化钛、MXene-碳化钒、MXene-碳化钼、MXene-碳化铌、MXene-碳化钽、MXene-碳化钨、MXene-碳氮化钛、MXene-碳化钼、MXene-碳化铌；
3.根据权利要求1所述的一种具有高极限电流密度且无锌枝晶的锌金属电池，其特征在于，所述聚合物微球包括：正电性的聚氨酯微球、聚乙烯微球、聚丙烯微球、聚氯乙烯胶凝微球、聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球、聚丙烯酸微球、聚丙烯酸酯微球、聚乙二醇微球、环氧树脂微球、酚醛树脂微球、聚二甲基硅氧烷微球、天然高分子微球等有机微球。
...【技术特征摘要】
1.一种具有高极限电流密度且无锌枝晶的锌金属电池，其特征在于，包括：正极壳(1)、弹片(2)、垫片(3)、正极片(4)、隔膜(5)、负极片(6)、负极壳(7)；其中由正极壳(1)和负极壳(7)围成的腔体中，由正极壳(1)方向至负极壳(6)方向依次设有弹片(2)、垫片(3)、正极片(4)、负载有电解液的隔膜(5)和负极片(6)；
2.根据权利要求1所述的一种具有高极限电流密度且无锌枝晶的锌金属电池，其特征在于，所述mxene纳米片包括：mxene-碳化钛、mxene-碳氮化钛、mxene-碳化钒、mxene-碳化钼、mxene-碳化铌、mxene-碳化钽、mxene-碳化钨、mxene-碳氮化钛、mxene-碳化钼、mxene-碳化铌；
3.根据权利要求1所述的一种具有高极限电流密度且无锌枝晶的锌金属电池，其特征在于，所述聚合物微球包括：正电性的聚氨酯微球、聚乙烯微球、聚丙烯微球、聚氯乙烯胶凝微球、聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球、聚丙烯酸微球、聚丙烯酸酯微球、聚乙二醇微球、环氧树脂微球、酚醛树脂微球、聚二甲基硅氧烷微球、天然高分子微球等有机微球。
4.根据权利要求1所述的一种具有高极限电流密度且无锌枝晶的锌金属电池，其特征在于，所述聚合物粘结剂包括：聚乙烯、聚丙烯、聚氧化...
【专利技术属性】
技术研发人员：范璐平，陈哲，史永正，耿志松，李昕玥，李正曦，杨立滨，王恺，陈奕倩，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：
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