[发明专利]具有氧化锌颗粒保护层的复合锌箔及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种具有氧化锌颗粒保护层的复合锌箔及其制备方法和应用。具有氧化锌颗粒保护层的复合锌箔，其为氧化锌颗粒层负载在锌箔上，该颗粒层由5‑10纳米的氧化锌组成，具有多晶多孔特征，其在锌箔表面全覆盖且分布均匀，包括以下步骤：1)将具有一定厚度的锌箔裁剪成具有一定尺寸的长方形；2)将步骤1)得到的锌箔，在碱性电解液中采用电化学重构策略进行处理，得到具有氧化锌颗粒保护层的复合锌箔。本发明工艺简单、制备速度快且符合绿色化学要求。所得到的复合锌箔在对称电池中，相比纯锌箔，具有明显提升的循环稳定性能，是一种具有应用前景的水系锌离子电池负极材料。

技术领域

本发明属于纳米材料和电化学技术领域，具体涉及一种具有氧化锌颗粒保护层的复合锌箔及其制备方法和应用，其可作为水系锌离子电池负极。

背景技术

偏压条件下材料表面存在向热力学稳定物相转变的趋势，这使得催化剂在各类催化反应中广泛存在表面重构的现象，如析氧/析氢反应、CO₂还原/加氢反应。在电催化过程中，重构物种原位集成在原始催化剂的表面，并作为真实催化活性物种。近年来，研究者采用了多种策略以实现具有高效催化活性的重构产物的精准设计，如结构调控(元素掺杂、结晶性调控、尺寸调控)、外场调控(溶液温度、浓度)等。尽管重构材料在催化应用中大显身手，然而在储能中还鲜见报道。

水系锌离子电池因其高安全性、环境友好等特点而成为下一代储能器件的候选者之一。然而，由于Zn²⁺/Zn的标准电极电势低于H⁺/H₂的标准电极电势，在充放电过程中会不可避免地发生锌腐蚀现象。锌负极的不稳定性(即表面枝晶的形成和析氢反应导致低的库伦效率和差的循环稳定性)严重阻碍了锌离子电池的规模化应用。因此，如何抑制锌负极的枝晶生长问题和减少副反应的发生，是提高水系锌离子电池循环寿命的关键。一些研究表明对锌箔进行表面修饰可以大幅提高锌负极的循环性能，例如采用表面硫化/硒化、表面涂覆TiO₂/ZrO₂等处理。在这里，我们将催化重构的思想用于锌箔的表面修饰，利用锌箔在电化学条件下的表面不稳定性构造保护层，使获得的复合锌箔具有提升的循环稳定性能。

发明内容

本发明针对上述现有的技术问题，提供一种具有氧化锌颗粒保护层的复合锌箔及其制备方法和应用。该制备方法工艺简单、制备速度快且符合绿色化学要求，得到的复合锌箔展现出优异的循环稳定性能，是一种具有应用前景的水系锌离子电池负极材料。

本发明针对上述技术问题采用的技术方案为：具有氧化锌颗粒保护层的复合锌箔，其为氧化锌颗粒层负载在锌箔上，该颗粒层由5-10纳米的氧化锌组成，具有多晶多孔特征，其在锌箔表面全覆盖且分布均匀。

按上述方案，所述的锌箔厚度为20-100μm，长度为3-4cm，宽度为1.5-2.5cm。

所述的具有氧化锌颗粒保护层的复合锌箔的制备方法，包括以下步骤：

1)将具有一定厚度的锌箔裁剪成具有一定尺寸的长方形；

2)将步骤1)得到的锌箔，在碱性电解液中采用电化学重构策略进行处理，得到具有氧化锌颗粒保护层的复合锌箔。

按上述方案，步骤2)所述的在碱性电解液中采用的电化学重构策略的具体步骤：搭建标准三电极测试装置，在碱性电解液中，将步骤1)得到的锌箔直接作为工作电极，石墨棒作为对电极，Hg/HgO电极作为参比电极，在CHI 760E电化学工作站上开展计时电流法测试，再将得到的复合锌箔快速取出、用去离子水洗涤并常温烘干。所述的电化学重构是指锌箔在进行计时电流法测试中，锌箔表面会发生物相转变，形成氧化锌颗粒层。

按上述方案，步骤2)所述的碱性电解液为KOH、LiOH或NaOH溶液，浓度为0.5-1molL^-1，溶剂为去离子水。