[發明專利]一種鋅基電池負極及其制備和應用

在審

• 申請號: 201811423933.6
• 申請日: 2018-11-27
• 公開（公告）號: CN111224115A
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 李先鋒;尹彥斌;張華民
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明涉及一種鋅基電池負極及其制備和應用，通過磁控濺射的方法將金屬、金屬合金、金屬氧化物中的一種或二種以上靶材沉積到電極基底上，獲得鋅基液流電池負極；通過控制制備條件及電極的材料組成，使其具有顯著的結晶控制功能、優異的電子電導率、穩定的結構、高的比表面積。可將其應用于水系及有機系鋅基電池。

技術領域

本發明涉及鋅基電池技術領域，特別涉及鋅基電池負極。

背景技術

隨著人們對可再生能源的需求持續增加，可再生能源地生產與利用存在一系列復雜的問題，將其配備大型能量存儲系統被認為是切實可行的解決方案，目前，儲能電站市場前景廣闊。但是，較多用于電力存儲的鋰電池還存在一些安全隱患，例如可能會發生爆炸，大規模儲能系統的安全性問題還需解決。

金屬鋅具有較負的電極電勢、兩電子轉移反應、高的溶解度、快速的動力學、良好的循環性、豐富的儲量及較為廉價的特性，使鋅基電池具有常溫常壓下操作、無有害物質排放、較高的安全性、高能量轉化效率及低成本，使其成為大規模儲能的理想選擇，鋅基電池受到廣泛關注，且極具應用前景。目前，金屬鋅被應用于諸多的儲能系統中，比如Zn-ion、Zn-Ce、 Zn-Cl₂、Zn-I₂、Zn-Br₂、Zn-V、Zn-Fe、Zn-Ni、Zn-O₂等電池系統，其反應如下：

然而，鋅基電池金屬鋅負極卻限制了其快速發展，使其大規模商業化面臨巨大挑戰。金屬鋅在負極發生溶解/沉積反應，使其在循環過程中發生嚴重的形狀變化，對電池結構造成破壞；鋅在負極集流體上快速地電化學結晶，會使金屬鋅在集流體上分布不均勻，使鋅枝晶快速增長并刺破隔膜使電池失效；反復循環形成疏松結構并在循環的過程中脫落，導致庫倫效率與循環壽命的降低。所以，對金屬鋅電化學結晶行為的調控，使其均勻、致密、平滑的沉積將意義重大，且極具挑戰。

發明內容

本發明目的在于制備一種高性能鋅電極，通過控制制備條件及電極的材料組成，使其具有顯著的結晶控制功能、優異的電子電導率、穩定的結構、高的比表面積。可將其應用于水系及有機系鋅基電池。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種高性能鋅電極，由金屬、金屬合金、金屬氧化物中的一種或二種以上為原料，通過磁控濺射技術，將金屬、金屬合金、金屬氧化物中的一種或二種以上，在特定氣氛下沉積到電極基底上，沉積厚度為10nm～5μm。使其可有效地防止鋅電極形狀的嚴重變化，抑制枝晶的生長，使金屬鋅更加致密且均勻的沉積。制備該電極的工藝過程簡單，工藝環保，形貌及組成可控，容易實現批量生產，應用范圍廣。以此組裝的電池具有很好的庫倫效率與循環壽命。

所述的金屬為鎂、鋁、鈦、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鋯、錫、鉛、鉍、銀中的一種或二種以上。

金屬合金為鎂、鋁、鈦、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鋯、錫、鉛、鉍、銀中的二種或三種以上金屬合金。

所述特定氣氛為氬氣、氮氣、氧氣、氫氣中的一種或兩種。

所述的電極基底包括銅箔、鋁箔、鎳箔、鈦箔、鐵箔、鋅箔、銀箔、金銀合金箔、泡沫銅、泡沫鎳、泡沫鈦、多孔金箔、碳紙、碳布、碳纖維、碳氈、石墨電極、玻碳電極。

所述的高性能鋅電極用于鋅基電池中。

所述的鋅基電池包括水系和/或有機系鋅離子電池、鋅-鈰電池、鋅-氯電池、鋅-碘電池、鋅-溴電池、鋅-釩電池、鋅-鐵電池、鋅-鎳電池、鋅-空氣電池。

所述具有鋅電化學結晶調控功能電極采用如下步驟制備：

(1)將待鍍電極基底分別用乙醇、丙酮、水清洗后，至于真空烘箱30～100℃，烘干2～12 小時；