单晶金属锌负极的制备方法及应用

本发明涉及的是一种锌离子电池领域的技术，具体是一种单晶金属锌负极材料的制备方法及在水系电池中的应用。

背景技术：

1、现有锌金属电极的性能主要受限于低库仑效率(ce)、大电压极化和枝晶生长带来的失效倾向(energy&environmental science 2021,14,5669)，为解决上述问题，研究人员通过表面修饰、结构设计、电解质优化与非金属负极等方法(energy&environmentalmaterials 2020,2,146)进行一定的改进，但目前多数的研究策略只能在一定程度上短暂抑制或减缓枝晶生长和界面副反应的发生，不利因素并不能从根本上被避免或消除。因此，开发本征高稳定性金属锌负极对延长电池的使用寿命，实现锌离子电池的实用化发展至关重要。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术涉及气/液/固三相转变和氧化反应，操作复杂的不足，提出一种单晶金属锌负极的制备方法及应用，制备得到的金属锌负极在电解液中的具有较强的抗腐蚀能力，较高的沉积/溶解可逆性，相比于多晶或其他晶面的单晶显著地抑制了电解液/负极界面上的副反应，能够有效缓解负极表面腐蚀气泡和钝化层的形成，提升循环稳定性；同时单晶锌在一定沉积容量范围内发挥外延模板的作用，指导锌的共形沉积行为，实现无枝晶生长，延长电池循环寿命。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明涉及一种单晶金属锌负极的制备方法，在真空或惰性气氛下对设置于两块惰性导热材料之间的纯度98wt％以上的多晶金属锌箔片进行熔融重结晶，制得最密堆积面的zn(002)单晶锌箔。

4、所述的熔融重结晶是指：在真空或保护性气氛下，升温至熔点以上20～200℃恒温后，以恒定速度降温并在熔点以下20～50℃恒温退火处理，之后随炉冷却至室温。

5、所述的多晶金属锌箔片的厚度优选大于等于10微米。

6、所述的惰性气氛优选以1sccm至500sccm注入腔室；

7、所述的惰性导热材料是指：高温下与熔融金属锌不发生合金化等相互作用且具有优良导热性能的材料，优选为石墨。

8、所述的升温，其速率优选为5～10℃/min；所述的降温其速率优选为-5～-10℃/min。

9、所述的恒温，优选时间为1～10min。

10、所述的退火，优选时间大于等于30min。

11、本发明涉及一种基于上述方法制备得到的单晶金属锌负极的应用，将其作为金属锌二次电池负极并使得锌沿特定取向发生共形沉积，抑制界面副反应。

12、所述的抑制界面副反应是指：将制备得到的单晶金属锌负极组装对称电池置于硫酸锌水溶液电解质体系中，不同倍率下均表现出明显优于多晶锌箔的循环稳定性。

13、技术效果

14、与现有的制备单晶的技术方法，如提拉法、坩埚下降法、区熔法等，产物通常为棒状或柱状，不利于后续处理加工，且加工后未必能保持原本的单晶结构的缺陷相比，本发明以多晶金属锌箔为原料，利用原位熔融-重结晶的方式，为杂乱的晶粒提供发生转变的活化能，促使其转变为吉布斯自由能最低的最稳定晶面。在硫酸锌水溶液电解质体系中，由该方法制得的单晶金属锌箔负极对锌离子的沉积溶解行为发挥了指导作用，有效抑制了界面副反应，在不同条件下均表现出稳定的循环性能。

技术特征：

1.一种单晶金属锌负极的制备方法，其特征在于，在真空或惰性气氛下对设置于两片惰性导热材料之间的纯度98wt％以上的多晶金属锌箔片进行熔融重结晶，制得最密堆积面的zn(002)单晶锌箔；

2.根据权利要求1所述的单晶金属锌负极的制备方法，其特征是，所述的多晶金属锌箔片的厚度大于等于10微米。

3.根据权利要求1所述的单晶金属锌负极的制备方法，其特征是，所述的惰性气氛以1sccm至500sccm注入腔室。

4.根据权利要求1所述的单晶金属锌负极的制备方法，其特征是，所述的惰性导热材料为石墨。

5.根据权利要求1所述的单晶金属锌负极的制备方法，其特征是，所述的升温，其速率为5～10℃/min；所述的降温其速率为-5～-10℃/min。

6.根据权利要求1所述的单晶金属锌负极的制备方法，其特征是，所述的恒温，时间为1～10min。

7.根据权利要求1所述的单晶金属锌负极的制备方法，其特征是，所述的退火，时间大于等于30min。

8.一种基于权利要求1-7中任一所述制备方法得到的单晶金属锌负极的应用，其特征在于，将其作为金属锌二次电池负极并使得锌沿特定取向发生共形沉积，抑制界面副反应；

技术总结
一种单晶金属锌负极的制备方法及应用，在真空或惰性气氛下对设置于两块惰性导热材料之间的纯度98wt％以上的多晶金属锌箔片进行熔融重结晶，制得最密堆积面的Zn(002)单晶锌箔。本发明制备得到的金属锌负极在电解液中的具有较强的抗腐蚀能力，较高的沉积/溶解可逆性，相比于多晶或其他晶面的单晶显著地抑制了电解液/负极界面上的副反应，能够有效缓解负极表面腐蚀气泡和钝化层的形成，提升循环稳定性；同时单晶锌在一定沉积容量范围内发挥外延模板的作用，指导锌的共形沉积行为，实现无枝晶生长，延长电池循环寿命。

技术研发人员：罗加严,任凌霄
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11