[发明专利]一种锌基电池负极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种锌基电池负极材料的制备方法：将金属盐溶液和有机配体溶液混合，再将锌板浸没于所得混合溶液中，反应后得到表面生长有前驱体ZIF‑L的锌板，再将其组装成对称电池，通过电驱动将锌板表面的前驱体ZIF‑L电转化为碱式硫酸锌(ZHS)，得到表面具有碱式硫酸锌保护层的锌基电池负极材料；本发明解决了现有的锌负极枝晶增长过快，循环稳定性差，易短路问题，将ZIF‑L@Zn转化为ZHS作为锌负极的保护层，该保护层能够有效抑制锌枝晶的生长；ZHS@Zn负极材料所组装的对称电池在2mA cm^‑2电流密度下测试循环稳定性超过800h，全电池在不同倍率条件下表现出优异的放电容量和稳定性。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域、锌基电池领域，尤其涉及一种基于碱式硫酸锌(ZHS)作为保护层的金属锌负极材料的制备方法。

背景技术

随着世界范围工业化的快速发展，人类对化石能源的开采和利用不断加剧，而化石能源的储备却不断减少，这就使得清洁能源和可再生能源的需求日益增加。在这样的情况下，如风能、太阳能、潮汐能等可持续发展的能源就发挥了至关重要的作用。由于电池良好的能量密度和循环寿命被广泛地应用于能量的储存和运输。20世纪90年代锂离子电池的开发和应用为能量的储存带来的新的突破，但由于锂资源的昂贵和紧缺以及加工成本高，有机电解液易燃烧所带来的安全问题，新型绿色环保能量储存系统就成为我们探索的关键。相对于使用易燃并对环境有害的有机电解液的锂离子电池，使用水系电解液的锌离子电池(ZIBs)则是一种新颖的低成本、安全和环境友好型的新型储能系统，并且对于未来的便携式、可穿戴以及电网的储能系统具有巨大的前景。但水系ZIBs的应用仍然面临巨大挑战，电极材料的结构稳定性、锌枝晶、腐蚀、析氢等副反应严重影响ZIBs的实际性能。

ZHS作为锌离子电池充放过程中的产物(锌枝晶的主要成分)，其不均匀沉积易形成枝状晶体，导致电池短路，影响电池性能。当前对于锌负极稳定性的研究主要在于抑制枝晶的树突，例如设计不同的涂层保护锌板表面，开发新型或引入不同的电解液添加剂，以及对隔膜进行修饰调控锌离子的均匀沉积，这些策略可以使锌板表面的副反应在一定程度上得到优化。直接均匀制备ZHS保护层可以直接调控Zn²⁺的均匀沉积，抑制枝晶状ZHS的形成，从而提高锌负极的稳定性。

发明内容：

为了解决目前锌负极由于枝晶的生长而导致ZIBs库伦效率降低以及循环稳定性差等问题，本发明提供了一种锌基电池负极材料的制备方法，该方法以ZIF-L为前驱体，通过电驱动将其转化为碱式硫酸锌保护层来有效抑制和调控负极材料锌枝晶生长。

本发明不仅适用于锌离子电池，也可以应用于其他使用锌金属负极的电池，例如锌空气电池、镍锌电池。

本发明的技术方案如下：

一种锌基电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将金属盐溶液和有机配体溶液混合，再将锌板浸没于所得混合溶液中，在20～80℃下反应0.5～6.0h，之后取出洗涤、干燥，得到表面生长有前驱体ZIF-L的锌板(记作ZIF-L@Zn)；

所述锌板厚度为0.01～0.2mm，锌板在使用前经过如下预处理：将锌板浸泡于0.1mol/L盐酸溶液中3min，随后取出置于乙醇：丙酮：水体积比1：1：1的混合液中超声处理5min去除表面杂质，之后用去离子水冲洗干净，自然晾干，使用1000目砂纸打磨至表面光滑，备用；

所述金属盐溶液的浓度为0.01～10mol/L，溶剂为去离子水，金属盐为硝酸锌、氯化锌、醋酸锌或硫酸锌；

所述有机配体溶液的浓度为0.01～10mol/L，溶剂为去离子水，有机配体为甲基咪唑或2-甲基咪唑；

所述金属盐溶液与有机配体溶液的体积比为1：1；