[发明专利]一种具有功能性纳米材料修饰层的金属锌负极的制备和应用

说明书

本发明属于化学电源技术领域，公开了一种具有功能性纳米材料修饰层的金属锌负极的制备和应用。本发明采用简单的抽滤方法将功能性纳米材料直接抽滤到亲水性滤膜上，构筑保护金属锌负极的功能性纳米材料修饰层。该修饰层可以实现在充放电过程中，调控锌离子的溶解/沉积时的电场或/和离子场，抑制锌枝晶的形成，从而实现高稳定性、长循环寿命的水系锌基储能体系，对推动推动水系锌基储能体系的实际应用具有重要意义。

技术领域

本发明属于化学电源技术领域，特别涉及一种具有功能性纳米材料修饰层的金属锌负极的制备和应用。

背景技术

人类社会的快速发展伴随着化石燃料的巨大消耗及其燃烧所造成的环境污染问题日益严重，具有高能量存储/转换效率和绿色环保等优点的电化学储能器件得到越来越多的研究。水系锌基储能体系(包括锌离子电池和锌离子混合电容器)以其金属锌负极具有高的理论比容量(820mAh/g)和较低的氧化还原电位(-0.762V vs.标准氢电极)，使其有利于提高电池能量密度，且其资源丰富、价格低廉、环境友好、可进行大电流充放电等优异性能，近些年受到了广泛的关注。然而，在反复充放电过程中，锌表面由于锌离子的不均匀沉积会导致锌枝晶的生成，而锌枝晶的生长会刺破隔膜，导致电池短路，从而限制金属锌电池的使用寿命及大规模应用。因而，解决锌枝晶一直是研究锌负极电池的核心问题。例如，中国专利公开文本CN108767215 A和CN 109713213 A通过涂覆、原位沉积或溅射碳材料保护层于锌金属表面的方法来抑制锌枝晶的生长。然而在涂覆过程中往往需要粘结剂的参与；通过涂覆工艺形成的保护层的厚度均一性较难控制；且在涂覆后的干燥加热过程中易造成碳材料保护层的开裂及锌金属表面的氧化，这将导致该工艺对锌枝晶的抑制效果降低。而原位沉积或溅射方法往往需要复杂的物理设备。

发明内容

针对金属锌负极在电池循环过程中形成枝晶造成电池短路问题，本发明的目的在于提供一种具有功能性纳米材料修饰层的金属锌负极的制备方法。

本发明另一目的在于提供上述方法制备的具有功能性纳米材料修饰层的金属锌负极。

本发明的再一目的在于提供一种包括上述具有功能性纳米材料修饰层的金属锌负极的水系锌基储能体系。本发明通过抽滤的方法制备的一种具有功能性纳米材料(包括碳纳米管、氧化锌、二氧化硅和铜纳米线)修饰层覆盖的金属锌负极，该功能性纳米材料界面修饰层可以提升金属锌负极与水系电解液接触界面的稳定性，通过调控锌离子溶解/沉积时的电场或/和离子场可以有效抑制锌枝晶的生长，改善锌负极的循环稳定性。对推动水系锌基储能体系的实际应用具有重要意义。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种具有功能性纳米材料修饰层的金属锌负极的制备方法，包括以下步骤：

将纳米材料均匀分散于溶剂中，通过抽滤的方法将其抽滤到滤膜上，经干燥后，得到所述稳定锌负极用功能性纳米材料修饰层；将该滤膜裁剪成不小于金属锌片大小的形状，直接覆盖在金属锌电极表面。

所述纳米材料包括碳纳米管、氧化锌、二氧化硅和铜纳米线中的至少一种；

优选的，当所述的纳米材料为碳纳米管时，所述的碳纳米管为含有氧官能团(包括羟基和羧基)的功能化碳纳米管或碳纳米管水系浆料；

优选的，当所述的纳米材料为氧化锌时，所述的氧化锌为多孔氧化锌纳米片，孔径为0.5-500nm，纳米片厚度为5-500nm；

优选的，当所述的纳米材料为二氧化硅，所述的二氧化硅为纳米二氧化硅球，直径为20-500nm；

优选的，当所述的纳米材料为铜纳米线，所述的铜纳米线的直径为5-200nm,长度为1-50μm。