水系锌离子电池负极材料、制备方法及其构成的电池

本发明属于锌离子电池，具体涉及一种水系锌离子电池负极材料、制备方法及其构成的电池。

背景技术：

1、锌离子电池存在循环寿命差和成品率不高等问题。影响循环寿命的原因有几方面:阴极材料的溶解和离子从阴极嵌入/剥离引起电极材料的体积膨胀，阳极在充放电过程中容易产生断裂的脆性枝晶，导致死锌的形成，使电池内部短路，电解液中ph值的局部变化导致副产物钝化阳极表面和连续析氢反应而引起电解液泄漏等。为了解决上述问题，目前报道的解决方案有:改性电解液、阳极表面涂层、构建分层结构、添加剂优化、固态电解质和金属合金化等。其中，在阳极表面涂层被认为是抑制枝晶和减少副反应最常用的方法。

2、文献1“zhao k,wang c,yu y,et al.ultrathin surface coating enablesstabilized zinc metal anode[j].advanced materials interfaces,2018,5(16):1800848.”众所周知，金属zn很容易与o发生氧化反应产生副产物。此外，电极表面不均匀性已发生析氢反应，产生oh-。因此，我们能否寻找一种相比锌与＝o和oh-的结合能力更强的物质，优先从溶液中捕获＝o和oh-。这样就会减少副反应的发生。此外，在环境温度和压力下，电解质中的溶解氧通常超过9mg l-1。

3、文献2“su l,liu l,liu b,et al.revealing the impact of oxygen dissolvedin electrolytes on aqueous zinc-ion batteries[j].iscience,2020:100995.”随着循环次数的增加，需要探索析氢反应产生的oh-浓度的变化。当前，关于水溶液电解质中溶解氧和副反应产生的oh-浓度对水系锌离子电池的电化学性能的影响鲜有报道。枝晶和副产物产生的原因以及它们之间的关系需要深入探讨。

4、碳化钒(v2ctx)属于二维(2d)过渡族金属碳/氮化合物(mxene)材料，其中tx代表o、oh-或f表面官能团。重要的是，mxene材料对＝o和oh-具有很强的吸附能力，具有良好的润湿性和较高的金属导电性。此外，lynden a.archer和jingxu zheng等报道外延电沉积方法可以抑制锌枝晶，降低副反应，诱导zn(002)平面沿还原氧化石墨烯(002)平面外延生长(逐层地生长)。

5、文献3“liu f,liu y,zhao x,et al.prelithiated v2c mxene:a high-performance electrode for hybrid magnesium/lithium-ion batteries by ioncointercalation[j].small,2020,16(8):1906076.”剥离的碳化钒(d-v2ctx)的主晶面恰好是(002)晶面。

6、到目前为止，还没有关于zn@v2ctx复合材料作为锌电池阳极(负极)的报道。

技术实现思路

1、本发明提出一种水系锌电池负极材料、制备方法及其构成的电池，解决现有锌离子电池阳极枝晶引起短路和副反应导致死锌，导致电池过早失效问题。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种水系锌离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括：

4、将多层v2ctx粉末溶解在tbaoh溶液中，超声搅拌获得溶液a；

5、将所述溶液a用乙醇和去离子水重复多次清洗获得溶液b；

6、离心收集所述溶液b的上层悬浮液，得到单层或少层v2ctx薄片分散液；

7、将打磨抛光后的zn箔清洗干净，放入所述单层或少层v2ctx薄片分散液中，然后整体放入真空干燥箱干燥；

8、干燥过程中，通过持续静电吸附，v2ctx自发地在zn箔的表面组装，获得zn@v2ctx材料。

9、进一步的，将多层v2ctx粉末溶解在tbaoh溶液中，具体包括：

10、将每0.2-0.6g的多层v2ctx粉末溶解在4-13ml的tbaoh溶液中。

11、进一步的，超声波搅拌获得溶液a，具体包括：

12、在400-800rpm的转速下，超声搅拌3-8h，获得溶液a。

13、进一步的，将所述溶液a用乙醇和去离子水重复多次清洗获得溶液b，具体包括：

14、在2000-40000rpm转速下，每次离心清洗5-15min。

15、进一步的，所述去离子水在使用前脱氧并通氮气，通氮气时间10-120min，然后放入80℃的真空烘箱中12-24h，最后冷却。

16、进一步的，离心收集所述溶液b的上层悬浮液，得到单层或少层v2ctx薄片分散液，具体包括：

17、以500-30000rpm转速离心1-11min，以收集溶液b的上层悬浮液，得到0.5-3mg ml-1浓度的单层或少层v2ctx薄片分散液。

18、进一步的，将将打磨抛光后的zn箔清洗干净，具体包括：

19、用200-3000目的砂纸分多次打磨抛光zn箔，再用去离子水超声清洗3-15min。

20、进一步的，持续静电吸附的时间为0.1-6h。

21、另一个方面，本发明提供一种水系锌离子电池负极材料，所述材料为zn@v2ctx，通过上述方法制得。

22、第三个方面，本发明提供一种水系锌离子电池，以v2o5-mn作为电池的正极，以zn@v2ctx作为电池的负极，以滤纸作为电池的隔膜，电池的电解液为1mol/l的zn(cf3so3)2溶液。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

24、本发明提出一种水系锌电池负极材料的制备方法，首先通过用tbaoh将多层v2ctx剥离为单层或少层；然后将溶液用乙醇和去离子水重复清洗，收集上层悬浮液，得到单层或少层v2ctx薄片分散液；最后，将zn箔放入到少层剥离的v2ctx分散体中，然后放入真空干燥箱中，通过一定时间的静电吸附，v2ctx自发地在zn箔的表面上进行组装，得到zn@v2ctx材料；本发明方法操作简单、成本低廉、最终获得的zn@v2ctx材料质量稳定，性能优秀。

25、本发明实施例将zn@v2ctx材料作为水系锌电池负极材料，v2ctx对＝o和oh-的吸附能力强于锌，因此v2ctx可以将锌表面上＝o和oh-夺走，锌表面的改性，形成了均匀的电场和均匀的锌离子通量，使得锌离子电池阳极枝晶的形核点和副反应大大降低；v2ctx的(002)主晶面可以作为zn(002)晶面的外延生长衬底，因此，锌被逐层沉积/剥离。

26、本发明实施例提供一种锌离子电池结构，其将zn@v2ctx材料作为电池负极、将v2o5-mn材料作为电池正极，该电池具有更为优异的循环稳定性，在1a g-1下，该锌离子电池2000次循环后可高达到94％的长循环寿命。

27、当然地，实施本发明的各技术方案并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。