[发明专利]一种锌金属电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种锌金属电极的制备方法：(1)选用锌盐分散于水中，形成均一稳定的溶液；(2)向步骤(1)所述的溶液中添加有机溶剂，形成均一稳定的溶液；(3)使用金属锌板作为工作电极，导电基板作为对电极，步骤(2)中得到的均一稳定的溶液作为电解液，在一定的电学条件、温度条件和pH条件下进行沉积得到锌金属电极。本发明还公开了上述制备方法得到的(101)晶面增强的锌金属电极，本发明得到的电极表面锌金属具有(101)晶面增强效应，与未经条件优化的锌金属电极相比，本发明得到的锌金属电极表面呈现阶梯状有序紧密排列。本发明的制备工艺操作简便、原料成本低廉、能源利用率高，制备得到的电极可逆性良好，可应用于各类锌基电池。

技术领域

本发明涉及锌基电池技术领域，特别涉及一种锌金属电极及其制备方法和应用。

背景技术

随着“碳达峰、碳中和”在国际社会的广泛讨论，各国对清洁能源的需求与日俱增。电能是现代社会无可取代的能量转换和存储的载体，无论是何种清洁高效的能量生产方式，均需以电能的方式进行存储、传输或利用。二次化学电池凭借着模块化、能量密度高的优势，自诞生以来在电能的存储上一直占据着重要地位。锌金属的地球丰度高、成本低廉，同时对人体的生命健康不构成伤害，对环境不造成污染。因此，锌基电池如锌-镍、锌-锰、锌-空、锌-银、锌离子电池等，在储能电站市场具有广阔的应用前景。

然而，锌基电池的负极界面严重影响了其循环可逆性，充放电过程中金属锌不均匀的沉积剥离、电解液与负极反应的副产物均会造成锌基电池负极稳定性的下降，此外，锌金属电极的晶面取向也决定了锌基电池的稳定性和可逆性。现有相关技术为提高锌基电池负极的可逆性，采用将锌与多种有机、无机物复合，制备得到复合电极材料，或者通过增强锌的(002)晶面提高电极的稳定性。专利申请号为201710729444.2的发明专利，申请公开了一种锌基电池用三维锌/碳复合材料。专利申请号为202010864028.5的发明专利，申请公开了一种使用Zn²⁺和2-甲基咪唑混合水溶液与锌箔得到的ZIF-8/Zn材料，以及在其表面原子沉积金属层得到的复合电极材料。专利申请号为202011223110.6的发明专利，申请公开了一种通过轧制、挤压等工艺增强锌板(002)晶面的工艺方法，并将所得锌板用于水系锌基电池。

发明内容

本发明的目的在于提出一种锌金属电极及其制备方法和应用，制备得到锌金属电极可以为锌基电池在循环过程中提供均匀的形核位点，避免枝晶的生长，从而有利于提高锌基电池的循环稳定性。

实现本发明的技术方案为：

一种锌金属电极的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)选用锌盐分散于水中，形成均一稳定的溶液。

(2)向步骤(1)所述的溶液中添加有机溶剂，形成均一稳定的溶液。

(3)使用金属锌板作为工作电极，导电基板作为对电极，步骤(2)中得到的均一稳定的溶液作为电解液，在一定的电学条件、温度条件和pH条件下进行沉积得到锌金属电极。

所述制备方法还包括对完成沉积后的锌金属电极采取清洁和干燥措施。

其中，步骤(1)中所述锌盐选自氯化锌、次氯酸锌、高氯酸锌、硫酸锌、硝酸锌、醋酸锌、三氟磺酸锌、双三氟甲磺酰亚胺锌、三氟甲基芳基磺酸锌中的一种或多种；步骤(2)所述有机溶剂为乙腈、1,4-二氧六环、乙醚、二甲醚、四氢呋喃、二甲基亚砜、乙醇、聚乙烯醇、二甲基甲酰胺、甲基甲酰胺中的一种或多种。本发明通过有机添加剂的使用，可以改变溶剂化Zn²⁺壳层的结构，在壳层中引入相应的有机分子，从而在电化学沉积过程中改变晶面表面能的大小，该过程受有机分子的特性影响，例如，极性大小，介电常数，供体数量(DonorNumber)。优选的，所述有机溶剂为二甲亚砜，二甲亚砜具有小于水的极性大小、介电常数和供体数量，具有进入Zn²⁺溶剂化壳层的优势，从而有利于通过电沉积过程调控金属晶面指数。