[发明专利]一种锌离子电池复合负极及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种锌离子电池复合负极及其制备方法和应用，该复合负极负极是由功能化碳点(CDs)、粘结剂混合后涂覆在锌金属基体表面复合而成。本发明所提供的碳点涂层原料易得，成本低廉，低毒安全，操作简单；所提供碳点涂层在水溶液不溶但是有很强的亲锌性，可作为电化学惰性的固体涂层材料。同时，功能化碳点涂层可以均匀电场分布，诱导锌离子在碳点涂层下面均匀沉积；并且功能化碳点表面的丰富的官能团也可以促进锌离子的电荷转移，降低成核势磊、降低锌负极腐蚀和析氢速率、有效抑制锌枝晶的形成和生长，从而大大提高电池的安全性能和循环性能。

技术领域

本发明涉及锌离子电池相关技术领域，更具体地，涉及一种锌离子电池复合负极及其制备方法和应用。

背景技术

锂电池凭着工作电压高、循环寿命长、无记忆效应以及自放电低等优势，主导着便携式设备和电动汽车的储能设备市场。然而，由于锂离子电池的高成本和可燃可爆的安全隐患，以及天然资源中锂的低丰度，其未来在大规模存储中的应用前景仍存在一定的限制。考虑到这些局限性，以水性锌盐为电解液和锌金属为负极材料的可充电锌基电池具有安全、环保、资源丰富、制备方便等诸多独特优点，近年来受到科学研究的关注，它被认为是最有前途的下一代电池之一。

然而，在弱酸性或中性条件下，锌金属由于热力学不稳定性和表面的不均匀，易出现枝晶生长、不可避免的腐蚀以及析氢等问题，导致电镀/剥离过程中库伦效率低，循环可逆性差，这些问题严重影响锌离子电池的额循环稳定性，使其无法满足动力能源及规模储能领域长循环寿命的需求。与Li/Na金属电池相似，Zn2+离子更倾向于在具有较高电势的位置成核，随后锌离子沉积在曲率较高、活化能较低的初始成核位置，进一步生长为凸起物，具有较高电场的突起尖端作为电荷中心，经过长期积累，最终导致枝晶迅猛生长。尽管锌有较高的析氢过电势，但是不可避免的，由于锌的反应活性比水高，仍然有氢气析出，这会降低锌的使用率，导致胀气电解液漏出等问题。最关键的是，由于氢气的产生，会导致锌负极局部的pH值升高，OH-聚集在锌负极表面，进而生成碱式硫酸锌副产物，这层不导电的界面产物会阻碍锌离子的运输，导致更差的倍率性能和循环性能。枝晶的疯狂生长和界面寄生反应彼此相互影响，相互促进，进一步严重影响锌负极的稳定性，甚至刺穿隔膜引起电池短路，造成电池彻底失效。

为了解决上述问题，目前研究人员提出各种各样的改性策略来抑制枝晶的生长以提高锌负极的循环寿命，如集流体设计、新型隔膜开发、锌表面修饰、电解质工程等。锌负极表面修饰有显著的应用优势： (1)操作简单，由于锌金属在空气中稳定，可以通过简单的涂布工艺实现；(2)作用效果明显，由于人工SEI的存在，可以避免锌负极和电解液的直接接触，抑制水参与的副反应；(3)快离子导体的界面层可以有效均匀锌离子流，抑制枝晶的生长。尽管目前这些研究已经取得了一定的进展，但是目前报道的表面修饰仍存在一定的缺陷，具体表现为制备工艺复杂、成本高昂、界面阻抗增加。

发明内容

基于现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的之一在于提供一种锌离子电池复合负极，该复合负极通过将功能化碳点涂覆于锌金属基体表面形成涂层，形成的涂层作为人工界面保护层可达到保护锌金属基体的作用，而且所加入的功能化碳点表面具有丰富的官能团，与锌离子具有更强的结合能，可有效降低成核过电势和界面阻抗，并且可以持续调节锌离子流，引导锌离子均匀沉积在复合负极表面，从而有效抑制锌枝晶或树突的产生，进而提高锌离子电池的倍率性能和循环性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种锌离子电池复合负极，包括锌金属基体和功能化碳点层，所述功能化碳点层是由功能化碳点与粘结剂、溶剂混合后涂覆在所述锌金属基体表面而成，所述功能化碳点是掺杂氮、氧、硫中至少一种的碳点。

需要说明的是，所述功能化碳点可以是同时掺杂氮、硼、硫的碳点，也可以是由掺杂了氮、硼、硫中至少一种的碳点组成的混合物。

在一些实施方式中，所述功能化碳点和所述粘结剂的质量比为 1～3：7～9。