一种阳离子还原电位保护锌金属负极的方法及其应用

技术领域

本发明属于水系锌离子电池技术领域，具体涉及一种阳离子还原电位保护锌金属负极的方法及其应用。

背景技术

随着便携式储能电源的发展，以及当今社会能源危机和环境气候恶化，高性能储能系统的研发受到人们的广泛关注。传统的锂离子电池因其具备较优的电化学性能，已经广泛应用于日常生活中，但受限于地球上锂金属元素含量相对较少和锂电池的安全性问题等。水系锌离子电池具有安全性高、原料丰富、成本低、环境友好和可快速充放电等优点，正在受到越来越多的关注，有望补充锂电池应用的不足。金属锌具有低标准电极电位，理论比容量高，因此一直是水系储能装置的理想负极材料。

水系锌离子电池中，锌金属负极存在明显的缺点，如充放电过程中枝晶生长问题，严重影响锌离子电池的循环寿命，降低其电池容量，严重时甚至会造成电池的短路。研究者也尝试使用物理化学方法克服锌金属负极的缺点，例如：CN112838211A公开了一种锌金属负极的改性方法及其产品与应用，将有机高聚物粉末与无机物粉末混合溶于有机溶剂中，得到混合浆料，将混合浆料均匀涂于锌金属负极上得到复合弹性涂层来改性的锌金属负极；CN113013418A公开了一种合金骨架支撑锌金属负极及其制备方法与应用，其中同样公开了通过合金骨架支撑锌金属负极来提升锌金属性能的技术方案；此外，苏州大学孙靖宇教授通过化学气相沉积在玻璃纤维隔膜生长氮掺杂的石墨烯，具有大表面积和多孔结构的三维石墨烯支架可以用来提升锌负极的性能(Directly Grown Vertical GrapheneCarpets as Janus Separators toward Stabilized Zn Metal Anodes，Adv.Mater.2020,DOI：10.1002/adma.202003425)。因此，锌离子电池负极的保护具有重要意义。

以上文献中通过在锌表面加涂层、锌合金方法和隔膜设计的方法一定程度上能提升锌金属负极的稳定性，但对锌金属负极和隔膜处理过程中负极质量增大、合金材料制备困难和CVD处理隔膜工序复杂且成本高等问题并未提出解决方法，影响锌金属作为电池负极的推广应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种阳离子还原电位保护锌金属负极的方法及其应用，通过阳离子屏蔽形成保护，有效解决了锌负极的枝晶形成和生长问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种阳离子还原电位保护锌金属负极的方法，包括以下步骤：

步骤1)将0.5～3.0mol/L ZnSO

步骤2)将步骤1)制得的复合电解液，按负极壳、负极锌片、隔膜、复合电解液、铜箔集流体、正极壳的顺序组装电池并封装，在恒流充放电测试系统测试电池性能。

优选地，步骤1)所述低还原电位的阳离子硫酸盐为K

优选地，步骤2)所述负极锌片的直径为10～15mm，所述铜箔集流体的直径为12～18mm。

优选地，步骤2)所述隔膜为网络状玻璃纤维隔膜。

优选地，步骤2)所述复合电解液的体积为80～160μL。

优选地，步骤2)所述恒流充放电测试系统的测试电流为0.2～5.0mA/cm

一种水系锌离子电池，采用上述的阳离子还原电位保护锌金属负极的方法制备，所述步骤2)中，使用2032纽扣电池壳进行组装，使用MTI-110纽扣电池封装机进行封装。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的阳离子还原电位保护锌金属负极的方法，如图1所示，在电解液中加入一种阳离子(如K

(2)本发明的阳离子还原电位保护锌金属负极的方法，能有效延长电池的循环寿命，提高电池的库伦效率，在电流密度为2mA·cm

(3)本发明的阳离子还原电位保护锌金属负极的方法，操作简单，材料成本低，制备过程方便快速，适于推广应用。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为实施例1中组装的电池在恒流充放电条件下循环时的电压-面积容量曲线；

图3为实施例2中组装的电池在恒流充放电条件下循环时的电压-面积容量曲线；

图4为实施例3中组装的电池在恒流充放电条件下循环时的电压-面积容量曲线；

图5为对比例1中组装的电池在恒流充放电条件下循环时的电压-面积容量曲线。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例1

一种阳离子还原电位保护锌金属负极的方法，具体步骤如下：

(1)室温下，称取0.0035g K

(2)采用CR2032电池壳组装电池，按负极壳、负极锌片(直径12mm)、网络状玻璃纤维隔膜(直径18mm)、160μL上述复合电解液、铜箔集流体(直径15mm)、正极壳的顺序组装纽扣电池，使用MTI-110纽扣电池封装机封装电池。

(3)用万能表测试电池开始时的标准电压约为1.02V，并在恒流充放电系统中测试电池性能，测试中设置的电流密度为2mA/cm

本实施例中组装的电池在恒流充放电条件下循环时的电压-面积容量曲线如图2所示，可以看出K

实施例2

一种阳离子还原电位保护锌金属负极的方法，具体步骤如下：

(1)室温下，称取0.0174g K

(2)采用CR2032电池壳组装电池，按负极壳、负极锌片(直径12mm)、网络状玻璃纤维隔膜(直径18mm)、160μL上述复合电解液、铜箔集流体(直径15mm)、正极壳的顺序组装纽扣电池，使用MTI-110纽扣电池封装机封装电池。

(3)用万能表测试电池开始时的标准电压约为0.96V，并在恒流充放电系统中测试电池性能，测试中设置的电流密度为2mA/cm

本实施例中组装的电池在恒流充放电条件下稳定循环时的电压-容量曲线如图3所示，可以看出K

实施例3

一种阳离子还原电位保护锌金属负极的方法，具体步骤如下：

(1)室温下，称取0.0693g K

(2)采用CR2032电池壳组装电池，按负极壳、负极锌片(直径12mm)、网络状玻璃纤维隔膜(直径18mm)、160μL上述复合电解液、铜箔集流体(直径15mm)、正极壳的顺序组装纽扣电池，使用MTI-110纽扣电池封装机封装电池。

(3)用万能表测试电池开始时的标准电压约为0.98V，并在恒流充放电系统中测试电池性能，测试中设置的电流密度为2mA/cm

本实施例中组装的电池在恒流充放电条件下循环时的电压-面积容量曲线如图4所示，可以看出K

对比例1

本实施例采用常规水系锌离子电池的制备方法，具体步骤如下：

(1)室温下，以1mol/L纯ZnSO

(2)采用CR2032电池壳组装电池，按负极壳、负极锌片(直径12mm)、网络状玻璃纤维隔膜(直径18mm)、160μL上述电解液、铜箔集流体(直径15mm)、正极壳的顺序组装纽扣电池，使用MTI-110纽扣电池封装机封装电池。

(3)用万能表测试电池开始时的标准电压约为0.95V，并在恒流充放电系统中测试电池性能，测试中设置的电流密度为2mA/cm

本实施例中组装的电池在恒流充放电条件下循环时的电压-面积容量曲线如图5所示，可以明显看出不添加K

综上所述，本发明的方法通过添加阳离子(如K