[发明专利]水系锌离子电池负极的制备方法、电池

说明书

本发明公开了一种水系锌离子电池负极的制备方法，其包括以下步骤：S1、准备锌材、铝材和镁材；S2、按照重量配比切取材料：锌板83％～88％，铝板11％～15％，镁板1％～2％；S3、清理材料；S4、将清理后的锌材、铝材和镁材放入石墨坩埚；S5、加热熔炼；S6、将熔炼好的熔液倒入模具冷却成型，得到锌铝镁合金，通过控制冷却速率得到水系锌离子电池负极。本发明提供的制备方法，大大抑制了负极枝晶的产生，从而提高了水系锌离子电池的充电放电循环寿命。

技术领域

本发明属于可充电电池负极材料制备技术领域，具体涉及无枝晶的水系锌离子电池负极、电池的制备方法。

背景技术

相比于使用易燃、有毒的有机电解质的锂离子电池，基于水系电解液的水系锌离子电池(ZIBs)是一种低成本、环保、安全的新型储能系统，并且其在将来可能会被应用于电网储能系统和可穿戴设备。近年来对水系ZIBs的正极、锌负极和电解液的研究已经取得了一定的进展，但水系ZIBs在正极和负极方面仍然面临着巨大的挑战。正极溶解、静电相互作用产生的不良影响、锌枝晶、腐蚀、钝化和副产物等问题都可能会导致水系ZIBs容量衰减、库仑效率低和短路等，这严重制约了水系ZIBs的发展和商业化。

水系电解液的水系锌离子电池众多的造成电池寿命降低的原因中，锌枝晶是非常难以解决的问题之一。所谓锌枝晶，是在锌作为电池活性物质反复发生电池反应的过程中，因共晶合金在结晶时，后析出相依附于领先相表面析出，形成具有两相共同生长界面的双相核心，然后依靠溶质原子在界面前沿两相间横向扩散，互相不断为对方提供生长所需组元，使两相一起向前生长，最终形成二元相间的层片组织。锌枝晶会高于电池电极板形成，从而刺破基板间的隔膜，容易造成电池的短路失效。另外，纯锌在水系电解质的充放电过程中表面会被腐蚀生成ZnO和Zn(OH)₂副产物，影响了负极表面的电场分布，多次充放电过程后不均匀的沉积行为会加速锌枝晶的生长，导致刺破隔膜的时间提前，进一步不利于电池的使用寿命提高。

现有技术中，曾通过特殊的电沉积的方式制备复杂的负极体，例如CN110660970A公开了一种柔性自支撑三维层状MXene/锌复合电极及其制备方法和应用。由三维层状的MXene膜与金属锌组成的复合材料，三维层状MXene膜由Ti3C2、Nb4C3、Ti2C、Ta4C3、TiNbC、(V0.5Cr0.5)3C2、V2C、Nb2C、Ti3CN、Ti3C2、Ti2C、Ta4C3、TiNbC、(V0.5Cr0.5)3C2、V2C、Nb2C、Nb4C3或Ti3CN中的一种或两种以上的混合物组成，三维层状的MXene膜负载锌。比表面积更大，能够负载更多的锌，可以作为锌金属负极，或者作为锂金属电极的集流体，可以很好的抑制锌枝晶生长。另外，CN110492069A公开了一种Zn@金属有机骨架复合电极材料的合成方法，所述的方法通过将经盐酸、丙酮、甲醇处理后的AA型锌筒置于一定浓度的2-甲基咪唑甲醇溶液中，进行水热反应，清洗，烘干，得到所述的Zn@ZiF-8复合电极材料；本发明制备方法能耗低，原料简便易取，而且所用材料廉价，操作简单，易于实现，可实现工业化生产；本发明制备得到的Zn@ZiF-8能有效抑制锌枝晶的生长，从而提高电池的循环寿命。进而，CN108767215A中，公开了一种抑制锌枝晶的材料及其制备方法与应用，该材料为锌基材料和碳单质材料的复合材料，所述锌基材料呈粉末状或者呈板状或片状，所述碳单质材料包覆在该锌基材料粉末颗粒的表面或附着在锌基材料板材或片材的表面上。本发明通过对金属锌单质材料进行改性，在锌板表面涂覆碳层，或者在锌粉粉末颗粒的周围包覆碳层，得到的复合材料能有效抑制锌枝晶的生长，尤其可作为负极材料应用于水系锌基电池，发挥其抑制锌枝晶生长的性能。

然而，上述方法制备的抑制枝晶生产的负极成本太高，其应用的电沉积、有机物复合方法、溅射等方法显然是无法大工业化生产的。产业界仍然急需更简单易行的能够实现抑制锌枝晶生长的负极材料。

发明内容

为了实现简单易行的能够实现抑制锌枝晶生长的负极材料的目的，发明人经过深入研究和实验，发现按配比制成的锌铝镁合金，并通过冷却过程控制，得到的锌铝镁合金能够非常有效的抑制锌枝晶的形成，最终提高水系锌离子电池的使用寿命和性能。