一种具有缬氨霉素涂层的锌负极及其制备方法和应用

本发明涉及水系锌离子电池，尤其涉及一种具有缬氨霉素涂层的锌负极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着便携式储能产业和新能源电动汽车产业的快速发展，人们对于具有高能量密度、长循环寿命、高安全性和低成本的电化学储能设备的需求日益增加。水系锌离子电池作为一类直接使用金属锌作为负极的二次电池，具有安全性高、成本低、能量密度高、储量丰富、环境友好等优势，因此得到人们的广泛关注。但是，金属锌负极目前仍存在诸多问题，如锌枝晶不可控生长、析氢、腐蚀与钝化等界面竞争性副反应。枝晶生长会加剧界面副反应致使锌负极表面腐蚀钝化严重，库伦效率显著降低，从而引发电池内部短路带来安全隐患。同时竞争性副反应会导致界面处锌离子的不均匀分布，进而恶化枝晶的不可控生长。

2、对比各种抑制枝晶生长和界面副反应的策略：n,n-二甲基甲酰胺、乙二醇、硫酸镁等各种电解液添加剂被用来抑制析氢反应，尽管这被证明是有效的，但在长期循环后会耗尽电解质；高浓度大阴离子结构的电解质盐，成本过高且不适合大规模实施；而合金化锌负极由于引入了惰性金属会降低平均容量。

3、因此，如何在确保电池性能的前提下，抑制金属锌负极枝晶生长和界面副反应是目前亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有缬氨霉素涂层的锌负极及其制备方法和应用，解决现有金属锌负极枝晶不可控生长、金属锌腐蚀等界面不稳定的问题。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种具有缬氨霉素涂层的锌负极的制备方法，包括以下步骤：

4、将缬氨霉素的二甲基亚砜溶液涂覆于锌负极上，经真空干燥得到具有缬氨霉素涂层的锌负极。

5、优选的，在上述一种具有缬氨霉素涂层的金属锌负极的制备方法中，所述缬氨霉素的二甲基亚砜溶液的浓度为1～20mg/ml。

6、优选的，在上述一种具有缬氨霉素涂层的金属锌负极的制备方法中，所述缬氨霉素的二甲基亚砜溶液的用量与锌负极的直径的比例为50～200μl：10～20mm。

7、优选的，在上述一种具有缬氨霉素涂层的金属锌负极的制备方法中，所述锌负极的厚度为10～50μm。

8、优选的，在上述一种具有缬氨霉素涂层的金属锌负极的制备方法中，所述真空干燥的温度为40～70℃，所述真空干燥的时间为12～36h。

9、优选的，在上述一种具有缬氨霉素涂层的金属锌负极的制备方法中，所述锌负极包括锌单质、锌合金中的一种或几种。

10、优选的，在上述一种具有缬氨霉素涂层的金属锌负极的制备方法中，所述锌负极使用前还包括前处理过程，具体为：

11、依次采用水、无水乙醇对锌负极进行清洗、干燥，然后进行砸制。

12、本发明还提供了一种具有缬氨霉素涂层的金属锌负极的制备方法制得的具有缬氨霉素涂层的金属锌负极。

13、本发明还提供了一种具有缬氨霉素涂层的金属锌负极在装配水系锌离子电池中的应用。

14、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

15、(1)本发明将缬氨霉素溶液滴涂于金属锌表面，然后通过真空烘干实现液态向固相的快速转化，进而制得具有缬氨霉素涂层的金属锌复合负极。该涂层的主要成分缬氨霉素分子具有环状结构和大量极性官能团，有利于调控电极表面的锌离子通量，抑制锌枝晶生长，还能促进锌离子的去溶剂化过程，降低初始成核能垒。

16、(2)本发明所提供的缬氨霉素涂层可以物理阻止锌负极和电解液的直接接触，避免电解液中水分子对金属锌的侵蚀和抑制溶剂鞘层内水分子的去质子化过程，从而有效电解液/负极界面等竞争副反应，进而提高锌负极的可逆性和稳定性。

17、(3)本发明所提供的缬氨霉素涂层具有用量少、效果显著等优点，且涂层制备工艺简单、可操作性强、原材料易得，适宜于大规模制备，有助于开发性能优异、绿色安全的可充水系锌离子电池，具有良好的应用前景。

技术特征：

1.一种具有缬氨霉素涂层的锌负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的具有缬氨霉素涂层的金属锌负极的制备方法，其特征在于，所述缬氨霉素的二甲基亚砜溶液的浓度为1～20mg/ml。

3.根据权利要求1或2所述的具有缬氨霉素涂层的金属锌负极的制备方法，其特征在于，所述缬氨霉素的二甲基亚砜溶液的用量与锌负极的直径的比例为50～200μl：10～20mm。

4.根据权利要求3所述的具有缬氨霉素涂层的金属锌负极的制备方法，其特征在于，所述锌负极的厚度为10～50μm。

5.根据权利要求4所述的具有缬氨霉素涂层的金属锌负极的制备方法，其特征在于，所述真空干燥的温度为40～70℃，所述真空干燥的时间为12～36h。

6.根据权利要求4或5所述的具有缬氨霉素涂层的金属锌负极的制备方法，其特征在于，所述锌负极包括锌单质、锌合金中的一种或几种。

7.根据权利要求6所述的具有缬氨霉素涂层的金属锌负极的制备方法，其特征在于，所述锌负极使用前还包括前处理过程，具体为：

8.权利要求1～7任一项所述的具有缬氨霉素涂层的金属锌负极的制备方法制得的具有缬氨霉素涂层的金属锌负极。

9.权利要求8所述的具有缬氨霉素涂层的金属锌负极在装配水系锌离子电池中的应用。

技术总结
本发明属于水系锌离子电池技术领域，公开了一种具有缬氨霉素涂层的锌负极及其制备方法和应用。该具有缬氨霉素涂层的锌负极的制备方法，包括以下步骤：将缬氨霉素的二甲基亚砜溶液涂覆于锌负极上，经真空干燥得到具有缬氨霉素涂层的锌负极。本发明选择具有环状结构和大量极性官能团的缬氨霉素分子作为锌负极涂层的主要成分，有利于调控电极表面的锌离子通量，抑制锌枝晶生长，还能促进锌离子的去溶剂化过程，降低初始成核能垒；该涂层还可以物理阻止锌负极和电解液的直接接触从而抑制界面副反应，进而提高锌负极的可逆性和稳定性。

技术研发人员：高风仙,李玥,叶英杰,刘玉霞,赵龙涛,袁旺斌,王新龙
受保护的技术使用者：河南工程学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16