[发明专利]一种丝素蛋白涂层修饰的锌阳极、制备方法及其应用

说明书

一种丝素蛋白涂层修饰的锌阳极、制备方法及其应用，属于能源材料技术领域。本发明首先是制备丝素蛋白包覆的锌阳极(Zn‑SF)，然后再制备Zn_xV₂O₅·nH₂O阴极材料，将阴极组装在CR2025纽扣电池中，以Zn‑SF作为阳极，玻璃纤维隔膜和2M ZnSO₄作为隔膜和电解液，组装得到(Zn‑SF)‑Zn_xV₂O₅·nH₂O全电池。SF涂层修饰的锌阳极提供了高的倍率性能和更长的循环稳定性，与Zn_xV₂O₅·nH₂O阴极结合的全电池提供了一种界面构建锌阳极的方法，用于高倍率水系锌离子电池，提高电池的电化学性能和循环寿命。

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，具体涉及一种丝素蛋白涂层修饰的锌阳极、制备方法及其应用。

背景技术

水系锌离子电池由于高理论容量、低氧化还原电位和天然丰度的优势在大规模储能系统中拥有巨大的潜力。然而，作为电池的重要部分，锌阳极总是遭受严重的问题，如枝晶生长、析氢反应以及副产物的生成，这大大降低了其循环寿命并引起了安全问题。因此，为了获得稳定的锌阳极，研究者们已经提出了许多方法，包括阳极结构调整(三维集流体或合金)、电解质优化(添加剂/高浓度盐)和表面保护涂层。阳极结构调整策略扩大了比表面积，并极大地降低了局部电流密度，并且亲锌位点的引入有希望减少成核势垒，诱导锌离子的均匀沉积并具有高的库伦效率。电解液优化策略调整了锌离子的溶剂化结构并降低了水的活性，促进了锌离子的均匀分布。作为一种替代策略，在锌阳极表面建立一个表面保护层具有简单和高实用价值的共同优点。锌阳极上紧凑的固体阻挡层可以将水/质子从水系电解质中隔离出来，同时优化锌离子的通量，此外还可以促进锌的去溶剂化，从而消除树枝状结晶，抑制副反应。具有纳米结构形态的无机涂层已被广泛研究，然而，脆性和弱粘性可能导致保护层在反复沉积/剥离循环后破裂。相反，聚合物涂层提供了强大的附着力和柔性，可以适应长期循环产生的阳极体积变化。此外，表面丰富的极性基团提供成核位点，有利于六水合锌离子的去溶剂化，调节锌离子在分子尺度上的均匀分布。然而，由于有机涂层对锌离子的化学吸附比水分子更强，因此提高了界面阻抗，导致在高电流密度下出现严重的极化现象。高的极化电压会造成阳极界面的不稳定以及副反应的加剧，从而导致高倍率下容量的快速衰减。因此，降低锌阳极的极化电压是稳定阳极界面以及提高倍率性能的关键，可以通过加速锌离子的沉积/剥离的过程来实现。负电荷可以通过建立欧姆接触(Zn-CeO₂)或使用阳离子交换膜引入涂层表面，这可以吸引阳离子向内扩散，加速锌离子剥离过程。尽管带电的保护层已被证明有希望改善锌离子沉积/剥离过程，但是单一带电的表面可能只对剥离或沉积的特定过程有利，对反向过程造成不利影响。因此，开发两性带电保护涂层可以动态调节剥离和沉积过程，进一步减少阳极极化，提高阳极的倍率性能。

丝素蛋白(SF)作为一种天然存在的蛋白质，通过分子间的氢键形成由疏水β-片组成的二级构象。由于蛋白质表面存在电离的侧链/端链(-NH₂和-COOH)，SF在不同的pH条件下拥有两性电荷，位于等电点上是电中性的(等电点以下：-NH₂+H⁺＝-NH₃⁺；等电点以上：-COOH+-OH^-＝-COO^-)。

发明内容

本发明的目的是提供一种丝素蛋白涂层修饰的锌金属阳极、制备方法及其应用，本发明提供的改性锌金属阳极旨在解决由于锌的高电流密度下的阳极不稳定和极化过高问题，从而提高电池的倍率性能和循环稳定性，延长电池的使用寿命。