一种高取向锌材料、其制备方法及应用

本发明涉及锌材料，具体而言，涉及一种高取向锌材料、其制备方法及应用。

背景技术：

1、多晶金属有大量的晶界影响其(电)化学和力学性能，而高取向金属少晶界，表现出不同的性能。例如，因其消除了电子散射，高取向锌金属的电阻率比多晶锌低；高取向高温合金具有较高的抗蠕变性等。在高取向金属衬底上电化学沉积诱导平面生长电沉积物引起了人们的广泛关注。以锌金属材料为例，某些基底与锌存在低晶格失配[锌及其合金：<0.05％；钴：～6％；钛：～9％]，可作为晶体同质外延或是异质外延生长的衬底，实现金属电池的高可逆性。此外，由于大型高取向金属箔在催化、储能和热工等方面有巨大的潜在应用，制备大型高取向金属箔一直是材料科学的重点研究方向之一。

2、传统合成高取向金属箔的方法主要有以下两种：

3、(1)电沉积外延法

4、在外延电沉积过程中，金属箔与衬底形成相干或半相干的晶格界面。首先制备匹配该金属箔晶面的单晶金属或是无机衬底，使晶格应变最小；此后再在此衬底上以一定电流密度电沉积外延金属箔，金属箔的结晶取向优先平行于衬底，形成板状堆积结构。

5、这类方法主要存在的问题包括：对衬底的要求非常高，既需高度匹配外延金属箔的晶面，又要表现出足够(电)化学惰性以耐受电解溶液和电沉积过程。此外，在外延过程中需要严格控制电流密度和沉积时间，操作复杂。由该方法得到高取向金属箔通常价格昂贵，尺寸较小且不均。

6、(2)热退火法

7、退火处理制造高取向金属箔的过程可分为两个阶段。首先，通过压印或反复轧制工艺形成具有特定表面织构的异常晶粒。该异常晶粒的尺寸比其他晶粒大得多，具有进一步长大的优势。接着，通过热退火加速该异常晶粒生长，最终促进有特定织构的大型高取向金属箔的形成。

8、上述方法主要存在的问题包括：多晶箔的初始织构对能否获得高取向金属箔的影响很大。具体地，若初始箔中异常晶粒比例小、其余晶粒多且晶界密集，则无法实现晶界消除，难以获得取向金属箔。因此，该方法只能转变部分多晶区域，尚未实现整个金属箔的高度取向。此外，退火过程难以控制，所获得的取向金属箔纯度较低。

9、因此，亟需开发一种特殊的制备方法能够高效的生产大型高取向金属箔。

10、鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高取向锌材料、其制备方法及应用，旨在制备大型高取向锌材料。

2、本发明是这样实现的：

3、第一方面，本发明提供一种高取向锌材料，利用x射线衍射测试高取向锌材料，其相对织构系数大于90％，其中，相对织构系数的公式为：

4、

5、式中，i(hkl)为高度取向样品的x射线衍射峰强；

6、i0(hkl)为标准样品的衍射峰峰强。

7、在可选的实施方式中，高取向锌材料为锌金属箔或锌合金；

8、其中，锌合金为znal、zncu、znsn、znin和znsc合金中的至少一种，按质量百分比计，其组成包括：合金元素3％-5％，余量为锌。

9、在可选的实施方式中，高取向锌材料为纯锌金属箔时，择优取向晶面为锌(0001)晶面。

10、在可选的实施方式中，高取向锌材料的厚度为15～50μm，面积大于30cm2；

11、优选地，利用电子背散射测试高取向锌材料，择优取向晶粒总数的占比大于90％；

12、优选地，利用透射电子显微镜测试高取向锌材料，仅存在单晶衍射点。

13、第二方面，本发明提供一种前述实施方式中任一项高取向锌材料的制备方法，包括：采用真空熔炼喷铸甩带的方式进行制备。

14、在可选的实施方式中，包括：待锌金属原料加热熔融后，将熔体喷铸至高速旋转的转辊表面，进行定向速凝；

15、优选地，转辊的转速为15m/s～40m/s；更优选为18m/s～22m/s；

16、优选地，转辊为铜辊。

17、在可选的实施方式中，高取向锌材料为纯锌金属箔时，锌金属原料选自多晶锌金属箔、锌颗粒和锌铸锭中的至少一种；优选地，锌金属原料为锌颗粒；

18、优选地，锌颗粒的粒径为1mm～3mm；

19、优选地，高取向锌材料为锌合金金属箔时，锌金属原料选自锌合金颗粒；优选地，锌合金颗粒的粒径为1-10mm。

20、在可选的实施方式中，利用炉体内的电阻加热线圈将锌金属原料在喷铸管加热熔融，喷铸管具有底部喷射口，转辊位于底部喷射口的下方，控制喷铸管的压力大于炉体的压力，且喷铸管和炉体的压力差为10kpa～20kpa，炉体内的压力为-60kpa～-40kpa；

21、优选地，喷铸管的内径为15mm～20mm，高度为15mm～25mm，盛放的锌金属原料的质量为4g～8g，转辊的直径为20cm～25cm，厚度为25mm～30mm；底部喷射口与转辊的距离为0.8mm～2mm；

22、优选地，底部喷射口为长方形，底部喷射口的长度为12mm～16mm，宽度为0.2mm～0.8mm；

23、优选地，向炉体和喷铸管内通入惰性气体保护；

24、优选地，喷铸管为石英管，在加入锌金属原料之前对喷铸管进行清洗、干燥。

25、第三方面，本发明提供前述实施方式中任一项高取向锌材料或前述实施方式中任一项制备方法制备得到的高取向锌材料作为电沉积外延衬底的应用。

26、第四方面，本发明提供前述实施方式中任一项高取向锌材料或前述实施方式中任一项制备方法制备得到的高取向锌材料作为可充电锌金属电池负极的应用。

27、本发明具有以下有益效果：本发明提供一种大型且高取向锌材料，尺寸大于30cm2,厚度为15～50μm，相对织构系数大于90％。该高取向锌材料可以用作电沉积外延的衬底，诱导实现电沉积物有序生长；也可以作为可充电锌金属电池负极，同步提升其热力学与动力学性能，最终实现具有长循环寿命且高度可逆的可充电锌金属电池。

技术特征：

1.一种高取向锌材料，其特征在于，利用x射线衍射测试所述高取向锌材料，其相对织构系数大于90％，其中，相对织构系数的公式为：

2.根据权利要求1所述的高取向锌材料，其特征在于，所述高取向锌材料为锌或锌合金金属箔；

3.根据权利要求1所述的高取向锌材料，其特征在于，所述高取向锌材料为纯锌金属箔时，择优取向晶面为锌(0001)晶面。

4.根据权利要求1或2所述的高取向锌材料，其特征在于，所述高取向锌材料的厚度为15～50μm，面积大于30cm2；

5.一种权利要求1-4中任一项所述高取向锌材料的制备方法，其特征在于，包括：采用真空熔炼喷铸甩带的方式进行制备。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，包括：待锌金属原料加热熔融后，将熔体喷铸至高速旋转的转辊表面，进行定向速凝；

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述高取向锌材料为锌金属箔时，所述锌金属原料选自多晶锌金属箔、锌颗粒和锌铸锭中的至少一种；优选地，所述锌金属原料为锌颗粒；优选地，所述锌颗粒的粒径为1mm～3mm；

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，利用炉体内的电阻加热线圈将所述锌金属原料在喷铸管加热熔融，所述喷铸管具有底部喷射口，所述转辊位于所述底部喷射口的下方，控制所述喷铸管的压力大于所述炉体的压力，且所述喷铸管和所述炉体的压力差为10kpa～20kpa，所述炉体内的压力为-60kpa～-40kpa；

9.权利要求1-4中任一项所述高取向锌材料或权利要求5-8中任一项所述制备方法制备得到的高取向锌材料作为电沉积外延衬底的应用。

10.权利要求1-4中任一项所述高取向锌材料或权利要求5-8中任一项所述制备方法制备得到的高取向锌材料作为可充电锌金属电池负极的应用。

技术总结
本发明公开了一种高取向锌材料、其制备方法及应用，涉及金属箔材技术领域。本发明提供一种大型且高取向锌材料，尺寸大于30cm<supgt;2</supgt;,厚度为15～50μm，相对织构系数大于90％。该高取向锌材料可以用作电沉积外延的衬底，诱导实现电沉积物有序生长；也可以作为可充电锌金属电池负极，同步提升其热力学与动力学性能，最终实现具有长循环寿命且高度可逆的可充电锌金属电池。

技术研发人员：姜银珠,陈爽,罗祯,吴星星
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16