[發(fā)明專利]一種液態(tài)金屬誘導(dǎo)超共形的水平鋅沉積的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211209509.8
• 申請日: 2022-09-30
• 公開（公告）號: CN115425223A
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 付磊;曾夢琪;鄒娟;汪晨陽
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: H01M4/42
• 分類號: H01M4/42;H01M4/04;C25C3/34
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 楊震

本申請公開了一種液態(tài)金屬誘導(dǎo)超共形的水平鋅沉積的方法。該方法通過引入液態(tài)金屬原位合金化誘導(dǎo)超共形的水平鋅沉積，本申請旨在通過鋅與液態(tài)金屬自發(fā)生成合金外延界面，全方位保護(hù)鋅金屬負(fù)極防止其在充放電循環(huán)過程中產(chǎn)生鋅枝晶，從而進(jìn)一步解決鋅金屬電池循環(huán)穩(wěn)定性低、易發(fā)生短路等問題。本申請還提供上述超共形的水平鋅沉積的制備方法：將液態(tài)金屬通過簡單的刮涂法涂抹在光滑的鈦箔上，通過預(yù)沉積一定容量的鋅，利用原位合金化生成水平外延界面從而實(shí)現(xiàn)水平鋅沉積。本申請?zhí)峁┑囊簯B(tài)金屬誘導(dǎo)超共形的水平鋅沉積的方法能360°無死角保護(hù)鋅金屬負(fù)極防止枝晶生長，能經(jīng)受住較高的電流密度且仍保持較好的循環(huán)穩(wěn)定性，可應(yīng)用于鋅金屬電池領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及儲能電池的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種液態(tài)金屬誘導(dǎo)超共形的水平鋅沉積的方法。

背景技術(shù)

鋅金屬電池具有能量密度高、安全性能好、原材料豐富、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是下一代儲能電池的有力候選者。

相關(guān)技術(shù)中，金屬鋅負(fù)極面臨非常嚴(yán)重的枝晶生長問題，鋅枝晶會嚴(yán)重?fù)p害電池的使用壽命、甚至刺穿隔膜，造成電池短路、爆炸等，引發(fā)嚴(yán)重的安全問題。因此，從鋅枝晶的生長源頭尋找抑制鋅枝晶的方法至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本申請?zhí)峁┮环N液態(tài)金屬誘導(dǎo)超共形的水平鋅沉積的方法，能夠有效防止枝晶生長。

已為普遍意識到的是，金屬鋅負(fù)極面臨非常嚴(yán)重的枝晶生長問題，鋅枝晶會嚴(yán)重?fù)p害電池的使用壽命、甚至刺穿隔膜，造成電池短路、爆炸等，引發(fā)嚴(yán)重的安全問題。因此，從鋅枝晶的生長源頭尋找抑制鋅枝晶的方法至關(guān)重要。

鑒于液態(tài)金屬的熔點(diǎn)一般在300℃以下，兼具液態(tài)和金屬的特性。液態(tài)金屬易與多種金屬合金化，形成功能、性質(zhì)豐富的合金。同時，液態(tài)金屬與空氣中的氧反應(yīng)，在液態(tài)金屬表面生成一層自限制氧化層，賦予液態(tài)金屬良好的可變形性、一定的機(jī)械強(qiáng)度和可調(diào)的表面張力。同時，液態(tài)金屬與鋅的親和性很強(qiáng)，本發(fā)明人意外地發(fā)現(xiàn)，可將液態(tài)金屬用于鋅金屬電池中能夠有效誘導(dǎo)Zn的沉積行為。

本申請基于液態(tài)金屬與鋅的合金化反應(yīng)，將液體金屬引入鋅金屬電池中。隨著電化學(xué)沉積鋅，鋅會與液體金屬發(fā)生原位合金化反應(yīng)，生成一種暴露特定晶面的合金。這種合金具有與六方密堆積的金屬鋅一樣的晶體對稱性，且其暴露出的特定晶面與鋅的(002)晶面具有良好的晶格匹配性，因而可以誘導(dǎo)鋅沿著(002)晶面沉積，得到水平排列的鋅。此外，由于液態(tài)金屬具有良好的可變形性，所得到的原位合金與鈦箔和新沉積的鋅之間可以實(shí)現(xiàn)超共形貼合，能360°無死角保護(hù)鋅金屬負(fù)極防止枝晶生長。

第一方面，本申請?zhí)峁┮环N液態(tài)金屬誘導(dǎo)超共形的水平鋅沉積的方法，包括以下步驟：

1)使液態(tài)金屬充分氧化；

2)將步驟1)得到的液態(tài)金屬附著在模板上；

3)對步驟2)中的液態(tài)金屬的表面覆于隔絕層；

4)將步驟3)得到的材料與鋅片組裝對稱電池；

5)在步驟4)所得對稱電池施加電流以使液態(tài)金屬表面原位沉積鋅。

本申請所述的液態(tài)金屬通常指的是熔點(diǎn)低于200℃低熔點(diǎn)金屬，加熱至溫度達(dá)到其熔點(diǎn)時金屬會發(fā)生相變變?yōu)橐簯B(tài)。液態(tài)金屬在空氣中容易被氧氣氧化，在其熔點(diǎn)下通過攪拌使其充分氧化能使其流動性降低，從而維系其在電池中的穩(wěn)定性。有研究表明：液態(tài)金屬在電解液易與其它金屬發(fā)生合金化，基于此，將液態(tài)金屬引入鋅金屬電池中，通過與鋅金屬原位合金化得到水平外延的界面，從而誘導(dǎo)鋅的水平沉積。同時，由于液態(tài)金屬的優(yōu)異的可變形性，合金化外延界面能與集流體和新沉積的鋅超共形貼合，從而實(shí)現(xiàn)對鋅金屬負(fù)極的360°無死角的保護(hù)，更好地防止枝晶的生長。

本申請所述液態(tài)金屬選自鎵、銦、錫、銫、銣、鎘、鉍、鉛中的任意一種或多種組合所得合金，優(yōu)選的為鎵、銦、錫及相應(yīng)的合金。