[发明专利]具有复合纳米纤维保护层的锌负极及其制备、应用

说明书

本发明涉及一种具有复合纳米纤维保护层的锌负极及其制备和应用，该方法是先经由同轴静电纺丝制得复合纳米纤维；再去除复合纳米纤维中的牺牲型高分子聚合物，即获得多孔多中空复合纳米纤维；然后将多孔多中空复合纳米纤维与粘合剂、溶剂C混合，得到悬浊液浆料；最后将悬浊液浆料均匀涂覆在锌负极基底层的表面，得到具有复合纳米纤维保护层的锌负极；制得的锌负极包括锌负极基底层和涂覆在基底层上的保护层；保护层主要由多孔多中空复合纳米纤维堆叠构成；本发明将具有复合纳米纤维保护层的锌负极应用于锌空气电池，显著提高了电池的循环稳定性、库伦效率和安全性。且其保护层可以有效地抑制锌枝晶的刺穿，极大地拓展了材料的使用寿命和应用领域。

技术领域

本发明属能源材料技术领域，涉及一种具有复合纳米纤维保护层的锌负极及其制备、应用。

背景技术

能源危机和环境污染已成为现今全人类面临的严峻挑战，迫使人们改善现有的能源结构，发展清洁、可高效利用的可再生能源及相关技术。可再生能源包括太阳能、潮汐能、风能、水能、核能及生物质能等的利用需要配套的储能电池来实现稳定的输出，因此开发新型、环保、高效的储能装置至关重要。

锌负极具有资源丰富、价格低廉、能量密度高、环境友好等优异性能，被广泛用于锌空气电池、锌离子电池、锌银电池、锌镍电池和锌溴液流电池等。然而，循环过程中不均匀的锌溶解和沉积引起的剧烈锌枝晶生长，使得锌基电池循环寿命短、库伦效率低，严重制约了其实际应用。在改善锌负极的方法中，构筑稳定的锌保护界面是最直接有效的方法之一，具有十分重要的意义。中国专利CN111162260A公开了利用电化学聚合或化学聚合的方法在锌负极表面包覆导电聚合物来改善水系锌离子电池的电化学性能，但单一聚合物的机械强度往往不足以抑制锌枝晶的生长和刺穿。中国专利CN111600025A公开了一种高分子聚合物和无机纳米颗粒作为保护层的锌负极来提高保护层的机械强度，但直接将纳米级的无机纳米颗粒分散在高分子聚合物中，往往伴随着无机纳米颗粒团聚或分散不均匀的问题。具有三维结构的保护层材料可以提高材料的比表面积，从而降低电极局部电流密度，诱导锌离子均匀成核和沉积。中国专利CN110364732A公开了一种具有无机功能修饰层的锌负极的制备方法，将碳纤维或碳纳米管等导电材料、无机物陶瓷粉体、粘合剂和溶剂混合后涂覆于锌负极表面作为保护层，但应用浆料法混合碳纤维或碳纳米管等导电材料和无机物陶瓷粉体仍然面临着导电材料与无机物颗粒分散不均匀、颗粒易团聚的问题。同时，仅依靠材料的三维堆积结构，其比表面积的提高有限。

因此，研究一种含有理想的保护层的锌负极材料具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺失，提供一种具有复合纳米纤维保护层的锌负极及其制备、应用。其复合纳米纤维保护层的三维多孔中空结构使其具有较大的比表面积，可以降低电极附近的电流密度，从而减缓枝晶生长；多级纳米孔结构和兼具亲水性、亲锌性的无机纳米颗粒有助于电解液、锌离子的均匀扩散，以及降低电解液-电极界面传质阻抗；同时，无机纳米颗粒的加入也保证了保护层较高的机械强度，从而有效抑制锌枝晶的生长及穿破。本发明将具有复合纳米纤维保护层的锌负极应用于锌空气电池，显著提高了电池的循环稳定性、库伦效率和安全性。该具有保护层的锌负极还可用于锌离子电池、锌银电池、锌镍电池和锌溴液流电池等。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

具有复合纳米纤维保护层的锌负极，包括锌负极基底层和涂覆在基底层上的保护层；保护层主要由多孔多中空复合纳米纤维堆叠构成；所述多孔多中空复合纳米纤维是指复合纳米纤维具有多个中空管道和表面至中空的三维贯穿通孔微纳结构。

作为优选的技术方案：

如上所述的具有复合纳米纤维保护层的锌负极，所述基底层的材质为锌单质或锌合金。

如上所述的具有复合纳米纤维保护层的锌负极，多孔多中空复合纳米纤维中含有无机纳米颗粒，无机纳米颗粒为TiO₂、ZnO和SnO中的一种以上，无机纳米颗粒的粒径为2～50nm。