【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水系锌离子电池负极材料，特别是涉及一种氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极及其制备方法与应用。
技术介绍
1、随着现代社会的快速发展，与日俱增的能源需求推动着高安全、高性能、低成本和环境友好型电化学储能技术的发展。在众多二次电池体系中，水系锌离子电池具有安全性高、理论比容量高(820mah/g)和绿色环保等特点，且可直接用作负极的金属锌储量丰度、成本低廉，因此被认为是下一代大规模储能技术的理想选择。然而，锌枝晶不可控生长、析氢和腐蚀等副反应的发生显著降低了锌负极的稳定性和可逆性，严重阻碍了水系锌离子电池的商业化进程和大规模应用。因此，对锌负极进行改性以提高水系锌离子电池的整体性能至关重要。
2、近年来，改善锌负极性能的研究主要聚焦于锌负极界面修饰、新型锌负极的结构设计、电解液优化以及新型隔膜的研发。锌负极/电解液界面是电化学反应过程中电子离子结合与分离、电荷发生转移的重要场所，锌沉积行为与锌负极/电解液界面性质密切相关。因此，在金属锌负极和电解液之间构筑界面保护层具有简单易行和实用价值高等优点。有机聚合物具有丰富的官能团，可以与锌离子相互作用，促进锌离子均匀沉积，提高循环稳定性。然而，聚合物界面膜与锌负极的界面兼容性较差，在长期运行或深度充放电条件下会降低电池性能。无机材料通常具有高剪切模量、耐腐蚀、结构稳定、高离子电导率等优点，但脆性大。相较而言，无机-有机复合界面膜可以结合上述两者的优势，克服单一材料的局限性，实现多组分之间的协同增强效应。氢化硼烯的二维纳米片结构耦合聚轮烷的动态滑环交联网络有利
技术实现思路
1、本专利技术旨在提供一种氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极及其制备方法与应用，解决水系锌离子电池负极普遍存在的枝晶生长、析氢、腐蚀与钝化等问题。
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极，所述负极材料是由金属锌及其表面由氢化硼烯(hb)、聚轮烷(pr)和聚丙烯酰胺(pam)交联形成的无机-有机复合凝胶聚合物界面膜组成的。
4、进一步地，所述复合膜的厚度为1～1000μm；所述金属锌基底为锌箔或锌合金箔，其厚度为10～100μm。
5、本专利技术所述氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极的制备方法，具体包括以下步骤：
6、(1)以环糊精(cd)为主体环状分子，链状分子聚乙二醇(peg)为客体分子轴，溶解在去离子水中，利用主客体相互作用自组装得到pr超分子溶液；
7、(2)将hb纳米片加入到pr溶液中，混合均匀得到hb/pr混合溶液；
8、(3)将单体丙烯酰胺、引发剂过硫酸钾和交联剂n’n-亚甲基双丙烯酰胺溶解于锌盐溶液中，然后再将其加入到hb/pr混合溶液中，充分混合均匀得到锌负极界面膜前驱体溶液；
9、(4)取适量锌负极界面膜前驱体溶液，均匀滴涂于金属锌负极片表面，置于真空烘箱中进行原位聚合，得到所述锌负极材料。
10、进一步地，步骤(1)所述环糊精为α-cd、β-cd或γ-cd，环糊精浓度为50～500mg/ml；所述聚乙二醇分子量为500～50000，聚乙二醇浓度为5～100mg/ml。
11、进一步地，步骤(2)所述氢化硼烯纳米片的浓度为0.5～10mg/ml。
12、进一步地，步骤(3)锌负极界面膜前驱体溶液中丙烯酰胺浓度为50～100mg/ml，过硫酸钾浓度为0.2～1mg/ml，n’n-亚甲基双丙烯酰浓度为0.5～1.5mg/ml，锌盐浓度为1～3mol/l；所述锌盐为包括硫酸锌、氯化锌、醋酸锌、硝酸锌、氟化锌、三氟甲烷磺酸锌、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺锌中的一种或几种。
13、进一步地，步骤(4)所述锌负极界面膜前驱体溶液用量为30～100μl；所述聚合温度为45～65℃，聚合时间为0.2～0.5h；所述电极片的直径为10～20mm。
14、本专利技术还提供了一种氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极的应用，将其应用于装配水系锌离子电池。
15、本专利技术的优点和有益效果：
16、1.本专利技术在金属锌负极界面原位生成均匀的界面膜，其具有优异的机械强度、丰富的亲锌位点以及较高的离子电导率，利用无机-有机的协同增强效应调控锌离子均匀沉积成核，有效改善锌负极的枝晶问题。
17、2.本专利技术在金属锌负极界面原位构筑的界面膜可以阻隔水系电解液与金属锌的直接接触，同时丰富的亲锌位点能够促进锌离子的去溶剂化过程，从而有效减轻电解液/负极界面等竞争副反应，进而提高锌负极的可逆性和稳定性。
18、3.本专利技术所提供的氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜通过原位自由基聚合的方式构筑，具有操作简单、成本低廉和绿色安全等优势，且与锌负极界面兼容性高、易于放大生产和产业化应用，对实现环保和可持续的水系锌离子电池技术至关重要，具有广阔的应用前景。
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1.一种氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极，其特征在于，所述改性金属锌负极由金属锌基底及其表面的无机-有机复合凝胶聚合物界面膜组成，所述无机-有机复合凝胶聚合物界面膜由氢化硼烯(HB)、聚轮烷(PR)和聚丙烯酰胺(PAM)交联形成。
2.根据权利要求1所述的氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极，其特征在于，所述无机-有机复合凝胶聚合物界面膜的厚度为1～1000μm；所述金属锌基底为锌箔或锌合金箔，金属锌基底的厚度为10～100μm。
3.如权利要求1或2所述的氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
4.根据权利要求2所述的氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述环糊精为α-CD、β-CD或γ-CD，环糊精浓度为50～500mg/mL；所述聚乙二醇分子量为500～50000，聚乙二醇浓度为5～100mg/mL。
5.根据权利要求2所述的氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述HB/PR混合溶液中氢化硼烯纳
6.根据权利要求2所述的氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极的制备方法，其特征在于，步骤(3)锌负极界面膜前驱体溶液中丙烯酰胺浓度为50～100mg/mL，过硫酸钾浓度为0.2～1mg/mL，N’N-亚甲基双丙烯酰浓度为0.5～1.5mg/mL，锌盐浓度为1～3mol/L；所述锌盐为包括硫酸锌、氯化锌、醋酸锌、硝酸锌、氟化锌、三氟甲烷磺酸锌、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺锌中的一种或几种。
7.根据权利要求2所述的氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述聚合温度为45～65℃，聚合时间为0.2～0.5h。
8.根据权利要求2所述的氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述锌负极界面膜前驱体溶液用量为30～100μL，电极片的直径为10～20mm。
9.一种权利要求3-8任意一项所述的制备方法值得的氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极的应用，其特征在于，用于装配水系锌离子电池。
...【技术特征摘要】
1.一种氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极，其特征在于，所述改性金属锌负极由金属锌基底及其表面的无机-有机复合凝胶聚合物界面膜组成，所述无机-有机复合凝胶聚合物界面膜由氢化硼烯(hb)、聚轮烷(pr)和聚丙烯酰胺(pam)交联形成。
2.根据权利要求1所述的氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极，其特征在于，所述无机-有机复合凝胶聚合物界面膜的厚度为1～1000μm；所述金属锌基底为锌箔或锌合金箔，金属锌基底的厚度为10～100μm。
3.如权利要求1或2所述的氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
4.根据权利要求2所述的氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述环糊精为α-cd、β-cd或γ-cd，环糊精浓度为50～500mg/ml；所述聚乙二醇分子量为500～50000，聚乙二醇浓度为5～100mg/ml。
5.根据权利要求2所述的氢化硼烯/聚轮烷复合界面膜改性金属锌负极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述hb/p...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵康，马士凯，王诗文，丁军伟，方少明，罗乃睿，盛金虎，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：
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