[发明专利]一种超薄界面修饰的锌金属负极材料、其制备及应用

说明书

本发明涉及一种超薄界面修饰的锌金属负极材料、其制备及应用，属于锌离子电池技术领域。所述负极材料为一个表面沉积有厚度为20nm～3μm的功能化石墨烯保护层的含锌金属材料，功能化石墨烯是掺杂N、P或S杂原子的石墨烯，掺杂的杂原子的质量百分数为1％～3％；所述功能化石墨烯保护层具有均匀的锌沉积形貌以及优异的导电性，能够降低电极的极化以及有效抑制锌枝晶的生长，有效改善锌离子电池的电化学性能，作为水系锌离子电池的负极材料具有很好的应用前景。所述负极材料是通过垂直提拉的合成方法在锌金属表面构建了均一的超薄界面，制备工艺简易，绿色环保，成本低，易于推广。

技术领域

本发明涉及一种超薄界面修饰的锌金属负极材料、其制备及应用，属于锌离子电池技术领域。

背景技术

可再生能源需求的不断增加，推动了高安全、稳定、低成本、环境友好型电化学储能系统的发展。锌是一种廉价、储量丰富的金属，具有较高的体积容量(5855mAh/cm³)以及较低的氧化还原电位(-0.76V相对于标准氢电极)，由于锌金属负极本身的优势，水系锌离子电池是下一代储能装置的候选者之一。近年来，各种水性锌基电池，如Zn-MnO₂、Zn-V₂O₅、Zn-LiMn₂O₄体系等得到了广泛的研究，并取得了重要进展。然而，由于锌负极成核不均匀引起的沉积趋向于树枝状生长，以及热力学推动下的严重氢气腐蚀，这些问题导致不稳定的界面，从而严重阻碍了水系锌离子电池的大规模应用。

为了解决这些难题，实现长周期寿命的锌金属负极，科研学者提出许多研究方法，包括界面修饰、三维结构设计以及高浓度电解质。其中，界面修饰不仅可以有效的防止腐蚀，同时也是调控枝晶生长的有效措施之一。早期的界面修饰大多采用刮刀涂抹涂层的方法来获得无树枝状的复合负极(如Advanced Low-Cost,High-Voltage,Long-Life AqueousHybrid Sodium/Zinc Batteries Enabled by a Dendrite-Free Zinc Anode andConcentrated Electrolyte，Jiang Kai,ACS Appl.Mater.Interfaces,2018,10,26,22059–22066.)。然而，这种简单的方法过度依赖粘结剂的使用，且不能产生超薄涂层(10μm)，电极上较厚的涂层既降低了能量密度又增加了电解液-电极界面的电阻。

纳米级界面修饰可以在较低的界面阻抗下完成较快的动能传输，并能生产出能够延长循环的高比能金属负极。最近，原子层沉积和化学气相沉积等技术被用于修饰Zn阳极，并实现了超薄界面修饰。虽然这些技术实现了Zn阳极超薄界面修饰，但是制备成本高，制备条件要求高，限制了超薄界面修饰的锌金属负极材料的应用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种超薄界面修饰的锌金属负极材料、其制备及应用，该负极材料为表面沉积有超薄功能化石墨烯保护层的含锌金属，该保护层具有均匀的锌沉积形貌以及优异的导电性，能够降低电极的极化以及有效抑制锌枝晶的生长，有效改善锌离子电池的电化学性能，作为水系锌离子电池的负极材料具有很好的应用前景；该负极材料是通过垂直提拉的合成方法在锌金属表面构建了均一的超薄界面，制备工艺简易，绿色环保，成本低，易于推广。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种超薄界面修饰的锌金属负极材料，所述负极材料为一个表面沉积有功能化石墨烯保护层的含锌金属材料；

其中，功能化石墨烯保护层的厚度为20nm～3μm，功能化石墨烯是掺杂N、P或S杂原子的石墨烯，掺杂的杂原子的质量百分数为1％～3％。

进一步地，含锌金属材料为锌箔或锌合金箔。

进一步地，功能化石墨烯保护层的厚度为50nm～1μm，更优选80nm～200nm。