CN114512630A - 一种改性水系锌离子电池负极的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性水系锌离子电池负极的方法，将打磨平整后的锌箔浸泡在组装溶液中使锌箔表面形成自组装膜层，得到改性后的水系锌离子电池负极；所述组装溶液的配制方法为：将烷基硫醇类有机物或希夫碱类有机物分别溶于无水乙醇中形成烷基硫醇‑乙醇组装溶液或希夫碱类‑乙醇组装溶液。本发明所采用的在锌箔表面修饰自组装膜的方法制备工艺操作简单，条件单一可控，易于实现规模化生产；本发明中烷基硫醇类、希夫碱类有机物分子分别能够与锌表面之间产生化学吸附作用，在锌表面形成致密、有序的能够抑制锌枝晶生长的分子膜；将采用本发明方法制备得到的锌/自组装膜复合负极应用于锌离子电池中，锌离子电子具有良好的电化学循环稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及水系锌离子电池技术领域，具体涉及一种改性水系锌离子电池负极的方法。
背景技术
由于传统储能技术带来的环境污染和能源危机，人们对高能量密度、低成本的环保型电网储能设备需求不断增加，这促进了各种储能***的快速发展。锂离子电池因其高效能、高电压、长循环寿命等优点被广泛应用于商业储能装置。但由于锂资源短缺、成本高、有机电解液安全性差，严重阻碍了锂离子电池的大规模应用。水系锌离子电池作为新兴的、极具发展前景的可替代储能技术，因其丰富的自然资源、高安全性、低成本、较低的氧化还原电势(-0.76V，vs.SHE)、较高的理论比容量(820mAh g-1)和高功率密度而倍受关注，在便携式电子应用和大规模储能***展示出巨大潜力。
锌离子电池通过Zn2+在正负极之间的可逆电镀/剥离实现能量的存储与转化，其负极材料主要为锌箔。锌箔负极在充放电过程中会在电极表面生成大量的锌枝晶，这些锌枝晶在循环过程中会刺穿隔膜导致电池内部短路，甚至引发安全问题，极大地限制了锌离子电池的进一步发展与应用。因此，开发一种简单便捷且能够抑制锌枝晶生长的可行方案是锌离子电池实用化的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改性水系锌离子电池负极的方法，该方法简单、操作便捷，能够抑制锌枝晶生长，延长锌离子电池的循环寿命。
为了实现上述目的，本发明提供了一种改性水系锌离子电池负极的方法，将打磨平整后的锌箔浸泡在组装溶液中使锌箔表面形成自组装膜层，得到改性后的水系锌离子电池负极；
所述组装溶液的配制方法为：将烷基硫醇类有机物或希夫碱类有机物分别溶于无水乙醇中形成烷基硫醇-乙醇组装溶液或希夫碱类-乙醇组装溶液。
优选的，所述烷基硫醇类有机物为正十八烷基硫醇、正十六烷基硫醇、正十二烷基硫醇、正己基硫醇中的一种。
优选的，所述希夫碱类有机物为2,3-噻吩二甲醛缩2-氨基芴、2,6-吡啶二甲醛缩2-氨基芴、亚水杨基-2-氨基吡啶中的一种。
优选的，所述烷基硫醇-乙醇组装溶液或希夫碱类-乙醇组装溶液的浓度为0.0005-0.05mol/L。
优选的，所述自组装膜层为单一组分膜或复合组装膜。
优选的，所述复合组装膜的制备方法为：将打磨平整后的锌箔先后浸泡在烷基硫醇-乙醇组装溶液和希夫碱类-乙醇组装溶液中，使锌箔表面先后形成硫醇膜和希夫碱膜形成的复合组装膜；或将打磨平整后的锌箔先后浸泡在希夫碱类-乙醇组装溶液和烷基硫醇-乙醇组装溶液中，使锌箔表面先后形成希夫碱膜和硫醇膜形成的复合组装膜。
优选的，组装溶液使用前先除氧，除氧过程为：用高纯氩气通入组装溶液中除氧25-35min，整个组装过程始终用氩气保护，使组装在无氧环境中进行。
优选的，锌箔浸泡在组装溶液中的时间为0.1～10h。
优选的，锌铂的打磨方法为：用1200#、2500#、4000#和7000#的砂纸将锌箔依次打磨，然后用去离子水和无水乙醇分别清洗3～6遍后备用。
优选的，组装后的锌铂从组装溶液中取出后迅速用氩气吹干，干燥保存备用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明所采用的在锌箔表面修饰自组装膜的方法制备工艺操作简单，条件单一可控，易于实现规模化生产；
(2)本发明中烷基硫醇类、希夫碱类有机物分子分别能够与锌表面之间产生化学吸附作用，在锌表面形成致密、有序的能够抑制锌枝晶生长的分子膜；将采用本发明方法制备得到的锌/自组装膜复合负极应用于锌离子电池中，使锌离子电子具有良好的电化学循环稳定性，延长锌离子电池的循环寿命。
附图说明
图1为实施例一所制得的锌/自组装膜复合电极表面的扫描电镜(SEM)图；
图2为实施例二所制得的锌/自组装膜复合电极表面的扫描电镜(SEM)图；
图3为实施例一所制得的锌/自组装膜复合电极和纯锌箔在对称电池中循环50周后的扫描电镜(SEM)图：(a)纯锌箔，(b)锌/自组装膜复合电极；
图4为实施例一所制得的Zn-DT复合电极和纯锌箔组装锌对称电池的时间-电压曲线；
图5为实施例二所制得的Zn-HL复合电极和纯锌箔组装锌对称电池的时间-电压曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
一种改性水系锌离子电池负极的方法，包括以下步骤：
(1)用1200#、2500#、4000#和7000#的砂纸将锌箔依次打磨，然后用去离子水和无水乙醇分别清洗3～6遍后备用；
(2)配制组装溶液：将0.1mmol的正十二烷基硫醇(DT)溶于100mL无水乙醇中形成浓度为0.001mol/L的烷基硫醇-乙醇组装溶液；
(3)组装溶液使用前先除氧，除氧过程为：用高纯氩气通入组装溶液中除氧30min，整个组装过程始终用氩气保护，使组装在无氧环境中进行；
(4)将打磨平整后的锌箔浸泡在组装溶液中2h，使锌箔表面形成自组装膜层，然后取出锌片，迅速用氩气吹干得到锌/自组装膜复合电极，即得到改性后的水系锌离子电池负极。
图1为本实施例制备得到的锌/自组装膜复合电极的扫描电镜(SEM)图，从图1中可以看出，自组装膜均匀地吸附在锌箔表面，复合电极的表面平整。
分别对纯锌箔和锌/自组装膜(Zn-DT)复合电极组装对称电池进行了电化学性能测试，电解液为2mol L-1的硫酸锌溶液，电流密度为1.5mA cm-2，沉积量为1.5mAh cm-2。如图4所示，在纯锌电极下，锌对称电池循环了130h后出现短路，而在Zn-DT复合电极下体现出更优越的循环性能，在其循环寿命分别可长达1400h,这表明电极经过单一组分自组装膜改性后，锌对称电池的循环寿命得到了显著提高。
对循环10周后的锌离子电池电极表面进行了SEM测试，如图3所示，可以发现纯锌箔电极循环后表面有大量的锌枝晶，而Zn-DT复合电极循环后表面依旧光滑平整，无明显枝晶产生。
实施例二
一种改性水系锌离子电池负极的方法，包括以下步骤：
(1)用1200#、2500#、4000#和7000#的砂纸将锌箔依次打磨，然后用去离子水和无水乙醇分别清洗3～6遍后备用；
(2)配制组装溶液：将0.1mmol的亚水杨基-2-氨基吡啶(HL)溶于100mL无水乙醇中形成浓度为0.001mol/L的烷基硫醇-乙醇组装溶液；
(3)组装溶液使用前先除氧，除氧过程为：用高纯氩气通入组装溶液中除氧30min，整个组装过程始终用氩气保护，使组装在无氧环境中进行；
(4)将打磨平整后的锌箔浸泡在组装溶液中2h，使锌箔表面形成自组装膜层，然后取出锌片，迅速用氩气吹干得到锌/自组装膜复合电极，即得到改性后的水系锌离子电池负极。
图2为本实施例制备得到的锌/自组装膜复合电极的扫描电镜(SEM)图，从图2中可以看出，自组装膜均匀地吸附在锌箔表面，复合电极的表面平整。
分别对纯锌箔和锌/自组装膜(Zn-HL)复合电极组装对称电池进行了电化学性能测试，电解液为2mol L-1的硫酸锌溶液，电流密度为1.5mA cm-2，沉积量为1.5mAh cm-2。如图5所示，相较于纯锌电极，Zn-HL复合电极体现出更优越的循环性能，锌对称电池可以稳定循环超过900h，这表明电极经过单一组分自组装膜改性后，锌对称电池的循环寿命得到了显著提高。
实施例三
一种改性水系锌离子电池负极的方法，包括以下步骤：
(1)用1200#、2500#、4000#和7000#的砂纸将锌箔依次打磨，然后用去离子水和无水乙醇分别清洗3～6遍后备用；
(2)配制组装溶液：将0.1mmol的正十二烷基硫醇(DT)和亚水杨基-2-氨基吡啶(HL)分别溶于100mL无水乙醇中形成浓度为0.001mol/L的烷基硫醇-乙醇组装溶液和希夫碱类-乙醇组装溶液；
(3)组装溶液使用前先除氧，除氧过程为：用高纯氩气通入组装溶液中除氧30min，整个组装过程始终用氩气保护，使组装在无氧环境中进行；
(4)将打磨平整后的锌箔浸泡在烷基硫醇-乙醇组装溶液中1h，然后取出锌片，用无水乙醇清洗3遍，随后再浸入希夫碱类-乙醇组装溶液中1h，使锌箔表面形成复合自组装膜，最后取出锌片，迅速用氩气吹干得到锌/自组装膜复合电极，即得到改性后的水系锌离子电池负极。
实施例四
一种改性水系锌离子电池负极的方法，包括以下步骤：
(1)用1200#、2500#、4000#和7000#的砂纸将锌箔依次打磨，然后用去离子水和无水乙醇分别清洗3～6遍后备用；
(2)配制组装溶液：将0.1mmol的正十二烷基硫醇(DT)和亚水杨基-2-氨基吡啶(HL)分别溶于100mL无水乙醇中形成浓度为0.001mol/L的烷基硫醇-乙醇组装溶液和希夫碱类-乙醇组装溶液；
(3)组装溶液使用前先除氧，除氧过程为：用高纯氩气通入组装溶液中除氧30min，整个组装过程始终用氩气保护，使组装在无氧环境中进行；
(4)将打磨平整后的锌箔浸泡在希夫碱类-乙醇组装溶液中1h，然后取出锌片，用无水乙醇清洗3遍，随后再浸入烷基硫醇-乙醇组装溶液中1h，使锌箔表面形成复合自组装膜，最后取出锌片，迅速用氩气吹干得到锌/自组装膜复合电极，即得到改性后的水系锌离子电池负极。
对实施例三和实施例四制备的锌/自组装膜复合电极依照实施例一的测试方法进行测试，结果显示，实施例三和实施例四电极经过复合组装膜改性后自组装膜均匀地吸附在锌箔表面，各复合电极的表面平整，循环后无明显的枝晶产生，且循环稳定性均优于纯锌箔对称电池。
Claims (10)
1.一种改性水系锌离子电池负极的方法，其特征在于，将打磨平整后的锌箔浸泡在组装溶液中使锌箔表面形成自组装膜层，得到改性后的水系锌离子电池负极；
所述组装溶液的配制方法为：将烷基硫醇类有机物或希夫碱类有机物分别溶于无水乙醇中形成烷基硫醇-乙醇组装溶液或希夫碱类-乙醇组装溶液。
2.根据权利要求1所述的一种改性水系锌离子电池负极的方法，其特征在于，所述烷基硫醇类有机物为正十八烷基硫醇、正十六烷基硫醇、正十二烷基硫醇、正己基硫醇中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的一种改性水系锌离子电池负极的方法，其特征在于，所述希夫碱类有机物为2,3-噻吩二甲醛缩2-氨基芴、2,6-吡啶二甲醛缩2-氨基芴、亚水杨基-2-氨基吡啶中的一种。
4.根据权利要求1或2所述的一种改性水系锌离子电池负极的方法，其特征在于，所述烷基硫醇-乙醇组装溶液或希夫碱类-乙醇组装溶液的浓度均为0.0005-0.05mol/L。
5.根据权利要求1或2所述的一种改性水系锌离子电池负极的方法，其特征在于，所述自组装膜层为单一组分膜或复合组装膜。
6.根据权利要求5所述的一种改性水系锌离子电池负极的方法，其特征在于，所述复合组装膜的制备方法为：将打磨平整后的锌箔先后浸泡在烷基硫醇-乙醇组装溶液和希夫碱类-乙醇组装溶液中，使锌箔表面先后形成硫醇膜和希夫碱膜形成的复合组装膜；或将打磨平整后的锌箔先后浸泡在希夫碱类-乙醇组装溶液和烷基硫醇-乙醇组装溶液中，使锌箔表面先后形成希夫碱膜和硫醇膜形成的复合组装膜。
7.根据权利要求1或2所述的一种改性水系锌离子电池负极的方法，其特征在于，组装溶液使用前先除氧，除氧过程为：用高纯氩气通入组装溶液中除氧25-35min，整个组装过程始终用氩气保护，使组装在无氧环境中进行。
8.根据权利要求1或2所述的一种改性水系锌离子电池负极的方法，其特征在于，锌箔浸泡在组装溶液中的时间为0.1～10h。
9.根据权利要求1或2所述的一种改性水系锌离子电池负极的方法，其特征在于，锌铂的打磨方法为：用1200#、2500#、4000#和7000#的砂纸将锌箔依次打磨，然后用去离子水和无水乙醇分别清洗3～6遍后备用。
10.根据权利要求1或2所述的一种改性水系锌离子电池负极的方法，其特征在于，组装后的锌铂从组装溶液中取出后迅速用氩气吹干，干燥保存备用。
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| CN101862273A (zh) * | 2010-05-25 | 2010-10-20 | 张颖 | 改性微化2-巯基吡啶氧化物锌盐的制备方法 |
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| CN113611833A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-11-05 | 广东工业大学 | 一种阳离子插层改性的CuS@CTAB电极材料在锌离子电池中的应用 |
-
2022
- 2022-02-21 CN CN202210157625.3A patent/CN114512630A/zh active Pending
Patent Citations (6)
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