[发明专利]水系锌离子电池锌汞合金负极的制备方法与应用

说明书

本发明公开了水系锌离子电池锌汞合金负极的制备方法和应用，其制备方法为：使用砂纸对商业化的厚度为10～500锌片进行打磨处理，除去锌片表面的氧化层；将砂纸处理的锌片在酒精中超声处理；在容器中倒入金属汞，将上述锌片放入容器中0.1～30 min；取出锌片，静置1～50 h，得到锌汞合金。本发明制备的负极不仅具备超快的离子/电子转移能力，降低成核势垒，减小成核过电位，实现均匀的锌沉积；而且该负极还可以与沉积在其表面的金属锌进行合金化反应。金属锌在该负极表面均匀的沉积和能与负极进行合金化反应，这有效的抑制锌枝晶的生长和副反应的发生，能更好的发挥其循环稳定性的性能。

技术领域

本发明属于可充电的水系锌离子电池负极的技术领域，具体涉及锌汞合金负极的制造方法及其产品与应用。

背景技术

高效能源存储系统需求很多，锂离子电池受到金属锂资源稀缺和有机电解液的安全性问题的束缚。可充电的水系锌离子电池因其制备工艺简单、成本低廉、安全性高和环境友好等诸多优势，具有十分广阔的市场应用前景。它采用廉价的金属锌作为负极，成本低、平衡电位高（-0.76 V vs标准析氢电极）、理论比容量高（820 mAh g^-1和5851 mAh cm^-3），水系电解液对环境友好，不易燃。当前，可充电水系锌离子电池成为了极具发展潜力的能源存储体系。

但是直接采用金属锌作为负极材料在循环过程中存在着枝晶生长和副反应的发生等问题，这会严重影响可充电水系锌离子电池的循环寿命。通过在金属锌表面构建TiO₂、Nano-CaCO₃、In、Sn等人工保护层，已经证明能有效抑制枝晶生长，减轻副反应的发生，提高电化学性能。然而，在长期循环过程中，特别是在大电流密度和高截止容量的情况下，金属锌负极在连续的锌沉积/溶出过程中体积变化剧烈，这些保护层可能被破坏。因此，迫切需要探索解决金属锌负极固有问题的新策略。

发明内容

本发明针对可充电的水系锌离子电池的锌金属负极循环稳定性差，在循环过程中出现枝晶生长和发生副反应的问题，提供了一种可充电的水系锌离子电池锌汞合金负极及其制备方法和应用。本发明通过在室温下金属锌和金属汞的合金化反应制备了一种锌汞合金负极（Zn₃Hg），该负极和2 M ZnSO₄电解液的浸润性更好,有利于Zn²⁺在其表面的均匀分布；优异的离子/电子转移特性，使其具有优异的锌沉积/剥离可逆性；降低的成核势垒和成核过电位，有利于锌的均匀沉积；该锌汞合金负极（Zn₃Hg）可与沉积在其表面的金属锌进行合金化反应，有效的解决了锌枝晶生长和副反应的发生的问题，有利于锌金属负极的稳定循环，从而提高电池的电化学性能和循环寿命。

本发明的目的是这样实现的：可充电水系锌离子电池锌汞合金负极及其制备方法，其工艺步骤：将锌片浸渍到金属汞中，取出后，空气条件下静置，得到锌汞合金。

所述的锌片采用砂纸打磨后在酒精中超声清洗，所述砂纸为2000目及以上的砂纸。

所述的锌片厚度为10～500μm。

锌片浸渍到金属汞的时间为0.1～30 min。

空气条件下静置时间为1～50 h。

所述制备得到的水系锌离子电池锌汞合金的化学式为Zn₃Hg。

本发明将所述制备得到的水系锌离子电池锌汞合金在制备锌汞合金锌金属负极材料上的应用。

本发明将所述制备得到的水系锌离子电池锌汞合金在可充电的水系锌离子电池中的应用。

本发明提供的锌汞合金负极的制备方法，具备以下有益效果：