[發明專利]一種具有聚酰胺光亮劑層的鋅負極及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201910240468.0
• 申請日: 2019-03-28
• 公開（公告）號: CN109980226B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 崔光磊;趙志明;趙井文;徐紅霞
• 申請（專利權）人: 中國科學院青島生物能源與過程研究所
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/06;H01M4/08;H01M4/24;H01M4/26;H01M6/06;H01M10/24
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本發明涉及一種具有聚酰胺光亮劑層的鋅負極，屬于能源材料技術領域。其特征在于把聚酰胺溶解于無水甲酸中進行重塑并在鋅負極表面構建固態光亮劑層。該光亮劑層既可以調控鋅離子的均勻傳輸，還可以阻止鋅負極與水系電解液和空氣直接接觸，抑制充放電過程中的化學及電化學析氫，減少鋅負極表面的腐蝕及鈍化等副反應，同時通過實現光亮劑的作用增加鋅成核密度促進鋅的均勻沉積，從而使鋅負極有效進行深度充放電，提高電池的循環壽命。

技術領域

本發明屬于能源材料技術領域，具體涉及一種具有聚酰胺光亮劑層的鋅負極及其制備方法和應用。

背景技術

目前鋰離子電池、鉛酸電池以及鎳氫電池占據大部分市場份額，然而它們仍然不盡完善。尤其在電動車領域中，電池重量偏高，成本昂貴以及容易短路引發著火等問題限制了他們進一步的發展，亟需電池科學體系的更新和優化。鋅電池是基于金屬鋅或鋅合金為負極活性材料的電池體系，發展歷史悠久，如鋅-空氣電池、鋅錳堿性電池等。鋅負極具有成本低、無毒、環保和生物親和性高等優勢，其質量比容量高達820 mAh/g，體積比容量高達5855 mAh/cm³，遠遠高于鋰金屬負極（2061 mAh/cm³），應用價值極高。然而，雖然近年來中性水系電解質的鋅基電池引起了廣大的關注，但是其循環性能差是致命的問題。究其原因是鋅負極在水系電解液中熱力學不穩定，鈍化及腐蝕現象嚴重，容易生成氧化鋅和氫氧化鋅等覆蓋在鋅負極表面，從而造成負極失效。再充電過程（電化學鍍鋅步驟，）易受析氫副反應的強烈干擾（尤其是小倍率充電過程中），造成充電過程中活性鋅層粉化且庫倫效率低；鋅沉積不均勻，產生枝晶刺穿隔膜。雖然目前有少量報告采用高濃鹽或低共熔體電解質替換傳統水系電解質，但是所用鹽價格極高，導致其成本昂貴，違背了鋅電池價格低廉、綠色安全的本征優勢。因此，對鋅負極進行有效保護從而抑制鋅與水系電解液的副反應至關重要。本發明受到電鍍行業中光亮劑作為一種電解液添加劑使鍍鋅更加致密和光滑的啟發，直接在鋅負極表面構建一層聚酰胺光亮劑層，在抑制副反應的同時，增大鋅的沉積密度從而得到光滑致密的沉積產物，有針對性地解決了二次鋅電池體系存在的關鍵科學問題，意義重大。

發明內容

本發明的目的是為了抑制鋅負極與電解液發生副反應，解決金屬鋅的不均勻沉積而導致的鋅枝晶嚴重，庫倫效率低、循環性能差、不能進行深度充放電及安全性能差等問題。為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種具有聚酰胺光亮劑層的鋅負極，鋅負極包括活性物質層和聚酰胺光亮劑層。

所述聚酰胺光亮劑層的主要成分為聚酰胺和與聚酰胺結合的金屬鋅鹽，或只含有聚酰胺，聚酰胺在光亮劑層中的質量分數為5-100%，與聚酰胺結合的金屬鋅鹽在聚酰胺光亮劑層中的質量分數為0%-95%，所述聚酰胺光亮劑層的室溫離子電導率為1×10^-8至9×10^-1 S/cm。

優選，聚酰胺光亮劑層中，聚酰胺在光亮劑層中的質量分數為8%-95%；與聚酰胺結合的鋅鹽在光亮劑層中的質量分數為5%-92%。

更優選為，聚酰胺光亮劑層中，聚酰胺在光亮劑層中的質量分數為10%-90%；與聚酰胺結合的鋅鹽在光亮劑層中的質量分數為10%-90%。

所述聚酰胺光亮劑層包含至少一種聚酰胺，所述聚酰胺為重復單元中包含酰胺鍵的高分子聚合物，所述聚酰胺至少包含一種重復單元，所述聚酰胺的重復單元選自化學式1或2，

化學式1：

-NH-R₁-NH-CO-R₂-CO-

化學式2：

-NH-R₃-CO-

R₁、R₂、R₃基團彼此獨立地選自脂肪族基團、脂環族基團、含苯芳香族基團、非苯芳香族基團、含硅基團或其組合的任意二價基團。