[发明专利]一种保护层修饰的锌负极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种保护层修饰的锌负极材料及其制备方法与应用，所述锌负极材料为保护层包覆的含锌金属基材，其制备方法步骤如下：1)将两性离子物质、亲水性单体、氧化剂加入到溶剂中，室温搅拌均匀得到浆料；2)向浆料中加入催化剂，搅拌均匀后得到前驱液，将前驱液排气后均匀地涂覆在含锌金属基材上，随后室温放置，待前驱液在含锌金属基材上聚合后，将所得样品真空干燥得到保护层修饰的锌负极材料。本发明提供的锌负极材料表面修饰了功能性两性离子界面层，修饰后的界面能够指引锌离子在金属锌表面均匀分布，并加快Zn²⁺的扩散，保证Zn²⁺均匀成核和高效沉积，使锌负极材料具有良好的循环稳定性和倍率性能，使用寿命长，更加安全。

技术领域

本发明属于由基于锌的合金组成的电极技术领域，具体涉及一种保护层修饰的锌负极材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着可充电二次电池技术的不断发展，人们对电池的安全及环保性能提出了更高的要求。目前广泛使用的锂离子电池因较低的元素储量、高成本和较差的安全性阻碍了其进一步发展。可充电水系锌离子电池则因高的元素储量、低成本和高安全性成为替代锂离子电池的有利候选。

但可充电水系锌离子电池还存在一些亟待解决的问题。金属锌负极在水系电解液中热力学不稳定，会遭受严重的水氧腐蚀，产生大量的副产物如羟基硫酸锌。锌会偏向能量较低的位置成核，从而形成锌枝晶，部分枝晶会断裂形成死锌，导致库伦效率的降低，持续生长的锌枝晶甚至会刺穿隔膜，导致电池失效。

为解决上述问题，人们开展了大量的工作，如构建三维的电极结构来调控锌离子通量，促进锌离子均匀沉积；制备高浓度的电解液，使用电解质添加剂等。但这些方法均受限于复杂的制备过程和高昂的成本。在金属锌表面涂覆功能层是一种简单有效的方法。目前如石墨烯、金属纳米粒子、无机纳米粒子涂层已得到广泛地研究。但这类涂层与金属锌较弱的吸附力与脆性使其容易在电化学反应造成体积膨胀时脱落。考虑到聚合物的粘附性和机械适应性，将无机有机结合是一种可行的策略。如PVDF与TiO₂结合等。但纳米颗粒在聚合物溶剂中容易团聚，不易均匀地分散于有机物溶剂中，这会导致锌离子的精准传输失效。因此，迫切需要制备一种能抑制锌枝晶并且环境友好的锌负极材料从而实现水系锌离子电池的大规模生产。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的之一是提供一种保护层修饰的锌负极材料。

为实现上述发明目的，具体技术方案如下：

一种保护层修饰的锌负极材料，所述锌负极材料为保护层包覆的含锌金属基材，其制备方法步骤如下：

1)将两性离子物质、亲水性单体、氧化剂加入到溶剂中，室温搅拌均匀得到浆料；

2)向步骤1)所得浆料中加入催化剂，搅拌均匀后得到前驱液，将前驱液排气后均匀地涂覆在含锌金属基材上，随后室温(15～35℃)放置，待前驱液在含锌金属基材上聚合后，将所得样品真空干燥得到保护层修饰的锌负极材料。

按上述方案，所述保护层厚度为5～30μm。

按上述方案，所述含锌金属基材为锌箔，厚度为30～150μm。

按上述方案，步骤1)所述两性离子物质为羧酸型两性离子或磺酸型两性离子；

所述羧酸型两性离子为5-(2-甲基丙烯酰氧基乙基二甲胺基)戊羧酸内盐、5-(丙烯酰氧基乙基二甲胺基)戊羧酸内盐，3-(2-甲基丙烯酰氧基乙基二甲胺基)丙羧酸内盐，3-(丙烯酰氧基乙基二甲胺基)丙羧酸内盐，2-(2-甲基丙烯酰氧基乙基二甲胺基)乙羧酸内盐，2-(丙烯酰氧基乙基二甲胺基)乙羧酸内盐，1-乙烯基-3-羧甲基咪唑中的一种；

所述磺酸型两性离子为N,N-二甲基(甲基丙烯酰氧乙基)氨基丙磺酸内盐或3-(丙烯酰氧基乙基二甲胺基)丙磺酸内盐。