[发明专利]一种PEG-CeF3

说明书

本发明属于水系锌离子电池领域，涉及锌负极制备，具体涉及一种PEG‑CeF₃@Zn耐腐蚀复合金属负极及其制备方法和应用。将PEG‑CeF₃原位生长在锌金属表面，从而达到对锌负极改性的目的。其中氟离子对锌离子有配位诱导作用，能抑制锌枝晶生长；铈离子的高电荷与电解液中阴离子有较强相互作用，能促进锌离子去溶剂化，促进锌离子迁移，从而提高锌离子传导性能。反应体系中的PEG可提高亲水性，保证电极表面优良电解液浸润性。由此原位生长的PEG‑CeF₃保护膜具有优良的耐腐蚀性，可有效防止充放电过程中锌负极的腐蚀，同时该膜对锌离子的亲和力有助于降低锌离子成核势垒，避免不均匀沉积，从而提高水系锌离子电池循环稳定性。

技术领域

本发明属于水系锌离子电池领域，涉及锌负极制备，具体涉及一种PEG-CeF₃@Zn耐腐蚀复合金属负极及其制备和应用。

背景技术

电化学能源存储与转换系统是提高清洁能源使用效率，优化能源结构，实现碳中和的重要技术手段。同时，它也是各类电子器械供电装置的核心部件，是提高人民生活便捷度的重要产品之一。开发低成本、安全、高能量密度的电化学储能系统一直是该领域的热点和难点。目前已成功商业化的锂离子电池虽具有较高的能量密度和循环性能，但锂资源的高昂成本和液体有机电解液的易燃性限制了其在大规模储能领域的应用。作为最具吸引力的候选电池之一，水系电池因其廉价的资源和固有的安全性而受到广泛关注。其中，水系锌离子二次电池由于金属锌负极具有较高的理论比容量（820 mAh g⁻¹）、适中的氧化还原电位（−0.762 V与标准氢电极）和低毒等特性被认为是最具潜力的下一代电池之一。然而，锌负极存在电极表面锌离子分布不均匀导致的锌枝晶生长、电极表面易发生自腐蚀和析氢反应(HER)等问题，导致了水系锌离子电池的可逆性、比容量和库仑效率（CE）的严重恶化。因此，要获得稳定的锌电极和坚固耐用的水系锌离子电池，必须使电极表面锌离子沉积均匀，并提高防腐能力。因此，金属锌负极的改性成为一个重要科学难题和技术难题。

近年来，针对锌负极的优化提出了一系列的策略，通过表面改性、结构设计、电解液优化和功能隔膜的构建，人们做出了巨大的努力来解决上述问题。在这些方法中，用无机或有机材料对锌电极进行表面改性以建立人工界面层是一种简单而有效的方法。例如，Kang等人。制备了一层多孔的CaCO₃基保护层，用于引导锌阳极界面的锌离子的均匀分布和沉积。该保护层避免了可能导致电池短路的锌树枝晶的生长，从而提高了锌电池的循环稳定性。但是目前报道的改性方法很难同时实现抑制锌枝晶生长、提高金属锌与电解液的浸润性、可调控的锌离子传导通道以及耐腐蚀性金属锌负极的改性技术需求。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种PEG-CeF₃@Zn耐腐蚀复合金属负极及其制备方法和应用。通过PEG修饰氟化铈并将具有氟离子、铈离子的氟化铈原位生长在锌负极表面，从而达到对锌负极改性的目的，从而提高金属锌负极在充放电过程中的耐腐蚀性、限制锌枝晶生长，提高金属锌与电解液的浸润性，从而提高水系锌离子电池的循环稳定性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种PEG-CeF₃@Zn耐腐蚀复合金属负极的制备，步骤如下：

（1）将含铈固体1溶于水中，加入表面活性剂，搅拌均匀后形成溶液A，然后向溶液A中加入锌片，使锌片位于溶液A中部，得反应体系；

（2）将含氟固体2溶于水中形成溶液B；将溶液B滴加到步骤（1）所得的反应体系中搅拌后进行加热反应，反应结束后，分别用水和无水乙醇清洗，干燥，得到PEG-CeF₃@Zn耐腐蚀复合金属负极。

进一步，所述步骤（1）中含铈固体1为硝酸铈、氯化铈、醋酸铈或硝酸铈铵中的任意一种或几种，溶液A中含铈固体1的浓度为（30-100）g/L。

进一步，所述步骤（1）中表面活性剂为聚乙二醇，聚乙二醇与含铈固体1的质量比为（0.01-0.5）:1。