[發明專利]一種具有界面保護層的鋅電池金屬負極及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202210421733.7
• 申請日: 2022-04-21
• 公開（公告）號: CN114864858A
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 馮金奎;譚利文;熊勝林
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H01M4/02
• 分類號: H01M4/02;H01M4/38;H01M4/58;H01M4/60;H01M10/36
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 王志坤

本發明涉及一種具有界面保護層的鋅金屬負極及其制備方法和應用，所述鋅金屬負極通過將界面保護層涂覆于鋅箔表面而成，所述界面保護層由被殼聚糖包覆的MXene納米片組成。界面保護層能夠隔離鋅金屬負極和電解液接觸，避免副反應對鋅金屬負極和電解液的消耗，而殼聚糖中的大量胺基和羥基對鋅離子的強絡合能力，能夠保證鋅離子快速通過保護層且提供大量成核位點，促進鋅成核和均勻鋅沉積，同時導電MXene能夠均勻鋅金屬負極表面電場并能夠分散偶然生長的鋅枝晶尖端電場，實現對鋅金屬負極的保護與對枝晶的抑制，確保鋅金屬二次電池的高效、長期、穩定運行。本發明采用綠色環保的天然多糖?殼聚糖與MXene作為鋅金屬負極界面保護層，制備方法簡單，并可以與目前電池制備工藝相匹配。

技術領域

本發明屬于鋅金屬二次電池技術領域，具體涉及一種具有綠色界面保護層的鋅金屬負極及其制備方法和應用。

背景技術

公開該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

鋅金屬電池的大規模應用仍然存在一定的問題，主要因為鋅金屬負極在水系電解液中非常不穩定，面臨的問題主要有：(1)不同于有機鋰電池種鋰金屬表面能夠形成來連續的固體電解質界面保護鋰金屬負極，鋅金屬負極表面無法自發形成保護層，導致鋅金屬負極表面發生嚴重的副反應，產生的副產物(如硫酸氧鋅、氧化鋅等)堆積在表面，使鋅金屬負極被腐蝕和表面鈍化，影響電荷分布和鋅離子沉積；(2)電池循環過程中，鋅負極表面枝晶大量生長，造成電解液快速消耗，引起電池性能快速衰減，同時持續生長的鋅枝晶刺穿隔膜會導致電池短路。為了解決上述問題，研究人員做了大量嘗試，如向電解液中加入添加劑、使用固態電解質、對鋅金屬表面涂覆改性或設計三維結構鋅金屬負極等，然而上述方法存在一定的局限性，制備過程或采用的原料無法匹配鋅金屬電池的安全、環保優勢，并且很難滿足擴大化生產的實際需求，因此，開發一種綠色環保的穩定鋅負極方法，對于解決鋅金屬電池面臨的問題，推動其大規模應用具有重要作用。

發明內容

為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種具有界面保護層的鋅金屬負極及其制備方法和應用。利用自組裝的殼聚糖和MXene納米片在鋅金屬負極表面形成保護性界面，使鋅金屬負極免受電解液腐蝕，而且殼聚糖分子中大量親鋅基團(胺基、羥基)能夠促進鋅成核、誘導均勻鋅沉積，MXene能夠均勻鋅金屬負極表面電場，從而抑制電池運行過程中的枝晶生長，確保鋅金屬電池能夠穩定、高效、安全運行。

具體地，本發明的技術方案如下：

在本發明的第一方面，一種具有界面保護層的鋅金屬負極，所述鋅金屬負極包括金屬鋅基體以及包覆在所述鋅金屬基體表面的界面保護層；所述界面保護層由殼聚糖和MXene納米片組成。

在本發明的第二方面，一種具有界面保護層的鋅金屬負極的制備方法，包括如下步驟：制備殼聚糖溶液和MXene溶液，將MXene溶液加入殼聚糖溶液并混合均勻后，涂覆在鋅金屬基體表面，干燥后得到所述具有界面保護層的鋅金屬負極；所述殼聚糖溶液為殼聚糖的酸性水溶液，MXene溶液為少層MXene納米片的水溶液。

在本發明的第三方面，一種鋅金屬負極二次電池，所述電池包括所述具有界面保護層的鋅金屬負極。

在本發明的第四方面，所述的具有界面保護層的鋅金屬負極和/或所述鋅金屬負極二次電池在新能源行業領域中的應用。

本發明的一個或多個實施例具有以下有益效果：

(1)采用綠色天然多糖-殼聚糖與二維材料MXene作為鋅金屬負極的界面保護層，原料綠色環保，能夠更好的發揮鋅電池環境友好的優勢。殼聚糖中的大量胺基和羥基對鋅離子的強絡合能力，能夠保證鋅離子快速通過保護層且提供大量成核位點，促進鋅成核和均勻鋅沉積，同時導電MXene能夠均勻鋅金屬負極表面電場并能夠分散偶然生長的鋅枝晶尖端電場，實現對鋅金屬負極的保護與對枝晶的抑制，確保鋅金屬二次電池的高效、長期、穩定運行。