单一（002）织构的锌金属负极及其制备方法、应用

本发明属于用于直接转变化学能为电能的方法或装置领域，具体涉及一种单一（002）织构的锌金属负极及其制备方法、应用。

背景技术：

1、水系锌离子电池是一种采用水系电解液和锌金属作为负极的二次电池，其特点是具有较高的安全性、较低成本和环境友好性。目前，水系锌离子电池在能量密度、循环寿命和功率密度等方面取得了显著进展，但仍面临容量衰减快和倍率性能不佳等问题。在实际应用中，锌离子电池的电沉积形貌通常呈现出不均匀和不规则性。由于锌离子具有较低的表面能和较高的迁移能，其倾向于在基板凸起处进行沉积，而不是向其附近沉积，因此易形成锌枝晶。锌枝晶不仅会刺穿隔膜导致电池短路，而且还会提供较大的比表面积，加剧电解液对锌金属负极的腐蚀，而生成的腐蚀产物会增加锌金属负极的表面粗糙度，加剧锌枝晶的生长。因此，锌金属负极所面临的枝晶和腐蚀等问题严重限制了水系锌离子电池的实际应用。

2、锌的（002）晶面作为锌晶体的优选密排面，表现出更高的热力学稳定性和耐腐蚀性。更重要的是，暴露更多（002）织构的锌金属负极能够诱导锌离子沿着（002）面的方向进行沉积，有效抑制锌枝晶的形成。

3、在相关技术中，制备（002）晶面织构锌金属负极的调控策略，主要包括对锌金属进行塑性变形或酸蚀刻、构筑石墨烯或者氧化石墨烯界面层和制备锌基合金等。但是基于退火处理制备得到的锌金属负极的稳定性差，变形后的锌金属的晶粒在室温下会逐渐长大，最终导致变形失效，形成其他晶体取向的晶粒。因此，尽管相关技术在一定程度上能够抑制锌枝晶的生长，但长期诱导锌离子平行于（002）晶面生长仍然面临挑战。

技术实现思路

1、有鉴于此，为解决相关技术中的所述以及其他方面的至少一种技术问题，本发明提出了一种单一（002）织构的锌金属负极的制备方法，包括：对基底进行预处理和活化处理，以得到活化的基底；再将活化的基底作为阴极，金属锌作为阳极并置于电沉积反应池中，向电沉积反应池中加入电沉积液，在搅拌的条件下进行电沉积处理，得到具有单一（002）织构的锌金属负极；其中，电沉积液为硫酸锌与硼酸的混合溶液，电沉积液的ph值为1~2；在电沉积过程中，电流密度为25~40ma/cm2，电沉积时间5~80min，电沉积温度为10~40℃。

2、根据本发明的实施例，在电沉积液中，硫酸锌和硼酸的质量比为20:1~5:1。

3、根据本发明的实施例，搅拌的速度为100~700r/min。

4、根据本发明的实施例，预处理包括对基底进行打磨抛光。

5、根据本发明的实施例，基底包括铜箔、铝箔、不锈钢箔、碳纸中的任意一种。

6、根据本发明的实施例，活化处理包括将预处理后的基底置于硫酸溶液中，以活化沉积位点。

7、根据本发明的实施例，在活化处理中硫酸的质量分数为7~20wt%，活化处理的时间为10~30s。

8、在本发明的另一方面，还提出了一种根据前述制备方法得到的单一（002）织构的锌金属负极，包括基底和沉积在基底上具有单一（002）织构的锌金属层。

9、在本发明的另一方面，还提出了一种水系锌离子电池，水系锌离子电池的负极为前述的单一（002）织构的锌金属负极。

10、根据本发明的实施例，在电沉积的过程中，通过搅拌、稳定的酸性环境和适当的电沉积液和电沉积工艺，得到仅具有（002）织构的锌金属负极，且锌织构结构稳定，可以在室温下稳定放置。在电沉积液中，硼酸作为ph缓冲剂在电沉积过程中解离或吸收氢离子，既提高了电沉积的效率，又抑制了副反应的发生，营造了理想的电沉积环境；相对于其他锌盐电沉积液，锌的（002）晶面在包含硫酸锌电沉积液中的表面能最低，根据晶体生长理论，表面能越低，生长速度越快，因此在抑制副反应的同时，电沉积液组分和电沉积工艺条件彼此支持，共同作用，能够实现在常规基底上成功制备得到具有单一（002）织构的锌金属负极。

技术特征：

1.一种单一（002）织构的锌金属负极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电沉积液中，硫酸锌和硼酸的质量比为20:1~5:1。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌的速度为100~700r/min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预处理包括：对所述基底进行打磨抛光。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述基底包括铜箔、铝箔、不锈钢箔、碳纸中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述活化处理包括：将预处理后的基底置于硫酸溶液中，以活化沉积位点。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述硫酸的质量分数为7~20wt%，所述活化处理的时间为10~30s。

8.一种如权利要求1～7中任一项所述制备方法得到的单一（002）织构的锌金属负极，其特征在于，所述锌金属负极包括基底和沉积在所述基底上具有单一（002）织构的锌金属层。

9.一种水系锌离子电池，其特征在于，所述水系锌离子电池的负极为如权利要求8所述的单一（002）织构的锌金属负极。

技术总结
本发明提出了一种单一（002）织构的锌金属负极及其制备方法、应用，属于用于直接转变化学能为电能的方法或装置领域。该制备方法包括：对基底进行预处理和活化处理，以得到活化的基底；将活化的基底作为阴极，金属锌作为阳极并置于电沉积反应池中，向电沉积反应池中加入电沉积液，在搅拌的条件下进行电沉积处理，得到具有单一（002）织构的锌金属负极。其中，电沉积液为硫酸锌与硼酸的混合溶液，电沉积液的pH值为1~2。本发明还提出了由前述制备方法得到的单一（002）织构的锌金属负极以及用于水系锌离子电池的应用。

技术研发人员：张振,张笑谈
受保护的技术使用者：中国科学技术大学苏州高等研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17