[發明專利]一種抑制鋅離子電池中鋅枝晶生長的方法

在審

• 申請號: 202210006718.6
• 申請日: 2022-01-05
• 公開（公告）號: CN114388902A
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 徐林;劉琴;麥立強
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M10/38
• 分類號: H01M10/38;H01M10/42
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

本發明涉及一種制備具有超快自修復性能的電解質構筑電解質/鋅負極動態自適應界面來抑制鋅電池中枝晶生長的方法。本發明將一定量的瓜爾膠完全溶解到鋅鹽溶液中，形成均勻的膠體。隨后，將丙三醇添加到上述制備的膠體中形成二元溶劑體系。最后，加入中性有機硼交聯劑并使其固化，獲得具有超快自修復性能的凝膠。將該凝膠用于準固態電池中的電解質，可以構筑動態連續的電解質/鋅負極界面，抑制枝晶生長，極大的提高了鋅電池的使用壽命。該方法價格低廉，工藝簡單，安全環保，具有大規模應用的潛力。

技術領域

本發明屬于材料化學技術領域，具體涉及一種抑制鋅離子電池中鋅枝晶生長的方法。

背景技術

當今社會的快速發展刺激了對于柔性和可穿戴設備的需求，主要包括便攜式電子產品和智能可穿戴系統。在過去的幾年里，人們致力于制造高性能的柔性鋰離子電池。然而，盡管鋰離子電池提供了較高的能量和功率密度，但安全問題和鋰金屬資源的限制使其實際應用面臨巨大障礙。事實上，安全和無毒是可穿戴儲能設備至關重要的前提條件。在這種情況下，一種替代策略，鋅離子電池由于其固有的安全性、易于制造、且具有低的成本等性能引起了極大的關注。然而，水系鋅離子電池長期以來受到嚴重的鋅枝晶影響以及水系電解液中的副反應，最終會增加界面阻抗，引起電池短路等一系列問題，從而影響鋅基電池的循環性能和使用壽命等性能。

科研工作者通過構筑三維聚合物電解質，包括抗老化凝膠，離子限域凝膠以及人工界面層，并被證明可有效抑制電解質與鋅負極之間的界面副反應。然而，在準固態電池構筑中，固-固界面接觸是急需攻克的難題。1)在充放電過程中，枝晶的動態生長與溶解，使得靜態的電解質界面與動態的鋅負極界面之間不能保持緊密的連接，出現微空隙，從而導致界面接觸不良，降低電池的倍率能力。2)大多數水凝膠在干燥條件下往往會嚴重失水，這對于水凝膠的實際應用來說是一個致命的缺陷。因此，構建動態且強大的界面接觸以及具有可靠的保水能力的水凝膠至關重要，這是高效準固態鋅離子電池界面策略的關鍵原則。

在此，通過對天然高分子進行交聯，再通過引入第二層網絡結構，最終得到了具有超快自修復和優異的保水性能的水凝膠。

發明內容

本發明的目的在于解決準固態鋅離子電池中不連續的固-固界面問題及其引發的嚴重的鋅枝晶生長，提出一種抑制鋅離子電池中鋅枝晶生長的方法。

為了實現上述目的，本發明的技術方案是：一種抑制鋅離子電池中鋅枝晶生長的方法，其特征在于包括如下步驟：

1)將一定量的瓜爾膠完全溶解到鋅鹽溶液中，形成均勻的膠體；

2)將適量的甘油添加到上述制備的膠體中以形成二元溶劑系統；

3)加入中性有機硼交聯劑并使其固化，獲得自修復和自適應的準固態電解質；

4)將鋅陽極、陰極材料和自適應的準固態電解質組裝成無枝晶生長的準固態鋅離子電池。

按上述方案，步驟1)中瓜爾膠與鋅鹽溶液的質量比為1％-6％。

按上述方案，步驟1)中鋅鹽溶液為硫酸鋅，三氟甲烷磺酸鋅和氯化鋅中的任意一種。

按上述方案，步驟2)中甘油：鋅鹽溶液體積比為0.15％-2％。

按上述方案，步驟4)中陰極材料為聚吡咯、聚苯胺、釩氧化物、普魯士藍和錳氧化物中的任意一種。

本發明制備得到一種具有超快自修復性能的電解質，動態適應鋅負極的收縮與膨脹，構筑自適應界面，抑制鋅枝晶的生長，在一定的電流密度下情況下，進行對稱電池的充放電循環實驗，750次循環后，鋅表面沉積均勻，無枝晶生長，且電解質與負極界面保持緊密的連接。