复合锌电极及其制备方法和应用

本发明特别涉及一种复合锌电极及其制备方法和应用，属于锌离子电池。

背景技术：

1、随着人类社会对新能源的依赖和探索，新一代储能设备得到迅速发展，锂离子电池处于研究和应用领域的热点，但其因高毒性有机电解液的使用，导致其对环境不友好以及安全事故频发。此外逐渐上涨的锂资源成本，使得锂离子电池成本压力也越发显著。相比于传统有机锂离子电池，水系锌离子电池以其锌金属负极高的理论容量(820mah g-1)和低的氧化还原电位(-0.76v vs she)，具有不易燃性和本质安全特性和低成本优势。成为传统锂离子电池的替代品，近年来受到人们的广泛关注。

2、然而在电池充放电过程中，由于锌金属负极枝晶的生长刺穿隔膜造成电池短路现象，以及伴随着水分子分解发生的析氢反应(her)和析氧反应(oer)进一步消耗电解液生成副产物等不良反应，导致水系锌离子电池低的库伦效率和使用寿命，阻碍了锌离子电池的实际应用。

技术实现思路

1、基于锌金属负极目前存在的问题，本发明的主要目的在于提供一种复合锌电极及其制备方法和应用，通过在锌金属表面构筑一种功能性的人工界面保护层以抑制锌负极表面枝晶生长和副反应发生，进而对锌负极实现保护功能，提高了电池库伦效率和循环寿命，从而克服了现有技术中的不足。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、本发明一方面提供了一种复合锌电极，包括锌基底以及形成在所述锌基底表面的界面保护层，所述界面保护层包含有机高分子材料和超离子导体材料。

4、进一步的，所述界面保护层包括由所述有机高分子材料形成的多孔网络基底，所述超离子导体材料分布在所述多孔网络基底的表面和/或内部。

5、进一步的，所述有机高分子材料呈纤维状，纤维状的所述有机高分子材料交织形成多孔的纤维网络结构。

6、进一步的，所述超离子导体材料呈颗粒状。

7、进一步的，所述超离子导体材料的粒径为200～600nm。

8、进一步的，所述有机高分子材料的粒径为0.5～2μm。

9、进一步的，所述界面保护层是由所述有机高分子材料和所述超离子导体材料形成的复合材料纤维交织形成的。

10、进一步的，所述有机高分子材料包括聚氨酯、聚苯乙烯、聚丙烯酸正丁酯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚乙二醇中的至少一者，但不限于此。

11、进一步的，所述聚氨酯包括聚醚类聚氨酯、聚酯类聚氨酯中的至少一者，但不限于此。

12、进一步的，所述超离子导体材料包括磷酸钛钠、有机磷酸锌盐类无机化合物、蒙脱石类无机化合物、磷酸钒钠类化合物中的至少一者，但不限于此。

13、进一步的，所述界面保护层中的所述超离子导体材料的质量含量为18.5～40.5wt％。

14、进一步的，所述超离子导体材料在所述界面保护层内是均匀分布的。

15、进一步的，所述界面保护层整体是具有弹性的，所述界面保护层与所述锌基底接触的界面能够在外力作用下发生可恢复的形变，所述界面保护层的所述界面始终与所述锌基底共形贴合。

16、进一步的，所述外力是由所述锌基底的体积发生变化、所述复合锌电极被弯折、所述复合锌电极被扭曲中的至少一种情况下产生的。

17、进一步的，所述界面保护层的厚度为10～80μm。

18、本发明另一方面还提供了一种复合锌电极的制备方法，包括以包含有机高分子材料和超离子导体材料的混合物在锌基底的表面形成界面保护层，从而获得复合锌电极。

19、进一步的，所述的复合锌电极的制备方法包括：以所述混合物作为静电纺丝液，采用静电纺丝的方式将所述混合物形成多孔的纤维网络结构，将所述纤维网络结构固化处理后形成所述界面保护层。

20、进一步的，所述混合物中的超离子导体材料的含量为18.5～40.5wt％。

21、进一步的，所述混合物中的有机高分子材料的含量为59.5～81.5wt％。

22、进一步的，所述有机高分子材料包括聚氨酯、聚苯乙烯、聚丙烯酸正丁酯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚乙二醇中的至少一者，但不限于此。

23、进一步的，所述聚氨酯包括聚醚类聚氨酯、聚酯类聚氨酯中的至少一者，但不限于此。

24、进一步的，所述超离子导体材料包括磷酸钛钠、有机磷酸锌盐类无机化合物、蒙脱石类无机化合物、磷酸钒钠类化合物中的至少一者，但不限于此。

25、本发明另一方面还提供了一种储能装置，包括所述的复合锌电极。

26、进一步的，所述复合锌电极作为所述储能装置的负极。

27、进一步的，所述储能装置包括锌离子电池，也别是水系锌离子电池。

28、与现有技术相比，本发明的优点包括：

29、(1)本发明提供的一种复合锌电极中的界面保护层与锌金属基底结合良好，在弯折、扭曲后依然可以保持稳定的复合界面，且高弹性的界面保护层可适应锌在沉积过程中的体积变化，可应用于柔性水系锌离子电池作为负极；

30、(2)本发明提供的一种复合锌电极中的界面保护层以聚氨酯纤维为主，其三维多孔网络结构有利于锌离子的传输和抑制析氢腐蚀，使获得的复合电极的性能更加稳定；

31、(3)本发明提供的一种复合锌电极，由于超离子导体的加入，提供了丰富的亲锌位点，同时，由于静电纺丝工艺使得超离子导体在界面保护层内的均匀分布，达到了均匀调节锌离子通量的作用，加快了锌离子转移动力学，从而提升了电极的电化学性能，实现了枝晶抑制的效果，使获得的复合电极的性能更加稳定。

技术特征：

1.一种复合锌电极，其特征在于，包括：锌基底以及形成在所述锌基底表面的界面保护层，所述界面保护层包含有机高分子材料和超离子导体材料。

2.根据权利要求1所述的复合锌电极，其特征在于：所述界面保护层包括由所述有机高分子材料形成的多孔网络基底，所述超离子导体材料分布在所述多孔网络基底的表面和/或内部。

3.根据权利要求2所述的复合锌电极，其特征在于：所述有机高分子材料呈纤维状，纤维状的所述有机高分子材料交织形成多孔的纤维网络结构；和/或，所述超离子导体材料呈颗粒状，优选的，所述超离子导体材料的粒径为200～600nm；优选的，所述有机高分子材料的粒径为0.5～2μm。

4.根据权利要求3所述的复合锌电极，其特征在于：所述界面保护层是由所述有机高分子材料和所述超离子导体材料形成的复合材料纤维交织形成的；

5.根据权利要求1或4所述的复合锌电极，其特征在于：所述界面保护层中的所述超离子导体材料的含量为18.5～40.5wt％；优选的，所述超离子导体材料在所述界面保护层内是均匀分布的。

6.根据权利要求1所述的复合锌电极，其特征在于：所述界面保护层整体是具有弹性的，所述界面保护层与所述锌基底接触的界面能够在外力作用下发生可恢复的形变，所述界面保护层的所述界面始终与所述锌基底共形贴合；

7.一种复合锌电极的制备方法，其特征在于，包括：以包含有机高分子材料和超离子导体材料的混合物在锌基底的表面形成界面保护层，从而获得复合锌电极。

8.根据权利要求7所述的复合锌电极的制备方法，其特征在于，包括：以所述混合物作为静电纺丝液，采用静电纺丝的方式将所述混合物形成多孔的纤维网络结构，将所述纤维网络结构固化处理后形成所述界面保护层；

9.一种储能装置，其特征在于，包括权利要求1-6中任一项所述的复合锌电极。

10.根据权利要求9所述的储能装置，其特征在于：所述复合锌电极作为所述储能装置的负极；优选的，所述储能装置包括锌离子电池。

技术总结
本发明公开了一种复合锌电极及其制备方法和应用。复合锌电极包括锌基底以及形成在所述锌基底表面的界面保护层，所述界面保护层包含有机高分子材料和超离子导体材料。本发明提供的一种复合锌电极中的界面保护层与锌金属基底结合良好，在弯折、扭曲后依然可以保持稳定的复合界面，且高弹性的界面保护层可适应锌在沉积过程中的体积变化，可应用于柔性水系锌离子电池作为负极。

技术研发人员：张其冲,王智敏,罗杰
受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1