[发明专利]一种水系电池中具有无机功能修饰层的复合锌负极及制备方法和应用

说明书

本发明提供一种水系电池中具有无机功能修饰层的复合锌负极及制备方法和应用，所述的复合锌负极包括基底层和位于所述基底层上的修饰层；所述基底层的材料为金属锌或锌合金，所述修饰层的材料包括陶瓷粉体和电子导电材料。

技术领域

本发明涉及一种具有无机功能修饰层的复合锌负极及其制备方法和应用，属于锌电池技术领域。

背景技术

随着经济的发展，化石能源面临枯竭，自然环境日益恶化。储能技术可以将太阳能、风能等间接性强的可再生资源纳入智能电网中，促进新能源的利用，保障电力系统稳定运行。近几年提出的水系离子储能电池，能够在成本、安全、稳定性三方面同时兼顾且具有显著优势，非常适合在静置型规模电力储能领域中应用。在水系电解中能存在且能保持长期稳定性的金属不多，锌因其安全环保，成本低廉，平衡电位低，理论比能量高(820mAh/g)成为了水系离子电池中最具竞争力的负极材料。

但是直接采用金属锌作为负极，在充电过程中电极表面会形成锌枝晶，随充放电反应的不断进行，会降低循环效率，甚至刺穿隔膜导致电池短路。此外，还会发生锌的腐蚀，金属锌会与电解液里的水发生反应，产生氢气，一定程度后会形成胀气，影响电池的安全性能和循环稳定性。

发明内容

针对金属锌负极在电池循环过程中存在的问题，本发明的目的在于提供一种水系电池中具有无机功能修饰层的复合锌负极及其制备方法和应用。

一方面，本发明提供了一种具有无机功能修饰层的复合锌负极，所述的复合锌负极包括基底层和位于所述基底层上的修饰层；所述基底层的材料为金属锌或锌合金，所述修饰层的材料包括陶瓷粉体和电子导电材料。

本发明以陶瓷粉体为骨料，电子导电材料为助剂，制备了金属锌或锌合金的界面修饰层，其中：1)修饰层具有大的比表面积，可以降低电极附近的电流密度，从而减缓枝晶生长；2)陶瓷粉体形成无机钝化膜主体，发挥基地效应，利用其隔绝了金属锌和电解液的直接接触，起到抑制自腐蚀、析氢腐蚀的作用；3)陶瓷粉体可作为骨料形成三维结构，部分锌电极放电产物保留在骨架内，而不是沉积在锌负极表面，抑制枝晶生长的同时避免锌负极的粉化变形，提高电池寿命；4)电子导电材料使界面修饰层具有优异的电导性，提高电池的电化学性能。

较佳地，所述陶瓷粉体和电子导电材料的质量比为20:1～2:1，优选为9:1～7:3。

较佳地，所述修饰层的厚度为100nm～400μm。

较佳地，所述陶瓷粉体的粒径为10nm～5μm。

较佳地，所述陶瓷粉体为Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、TiO₂中的至少一种；所述电子导电材料为碳纤维、碳纳米管、碳球、石墨、导电炭黑、乙炔黑、石墨烯中的至少一种。

又，较佳地，所述碳纤维的直径为1nm～10μm，长度为100nm～100μm；所述碳纳米管的直径为1nm～1μm，长度为10nm～10μm；所述碳球的直径为100nm～10μm；所述石墨的直径为100nm～10μm；所述导电炭黑的直径为5nm～100nm；所述乙炔黑的直径为5nm～100nm；所述石墨烯的层数是1～30，片层尺寸为10nm～100μm。

较佳地，所述修饰层还包括粘结剂，所述粘结剂占修饰层总质量的0.05～1.5wt％；优选地，所述粘结剂为聚乙烯醇、环氧树脂、丁苯橡胶、聚酰胺-酰亚胺、聚环氧乙烯、聚丙烯酸、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇缩丁醛和羧甲基纤维素钠中的至少一种。

另一方面，本发明还提供了一种如上所述的具有无机功能修饰层的复合锌负极的制备方法，将陶瓷粉体、电子导电材料、粘结剂和溶剂混合后涂覆于基底层表面，再经干燥，得到所述具有无机功能修饰层的复合锌负极。