一种基于多场耦合制备超高载量单原子锌的方法及其在无负极钠电池中的应用

本发明属于电池，具体涉及一种基于多场耦合制备超高载量单原子锌的方法及其在无负极钠电池中的应用。

背景技术：

1、电池系统在电动汽车的全球普及和利用各种可再生能源进行电网规模的能量存储方面发挥着关键作用。基于低成本和丰富的钠，可充电钠离子电池(sibs)被认为是当前流行的锂离子电池(libs)在大规模低成本储能系统领域中的一个非常有前途的替代或补充，目前，sibs商业化的主要瓶颈是其与libs相比的能量密度较低，降低了在成本效益方面的优势。由于具有优异的理论容量(1165ma h g-1)、理想的氧化还原电位(-2.71v vs标准氢电极)和丰富的材料，金属钠负极(sma)可以显著提高传统sibs的能量密度。此外，sma还是许多新型电池系统的组成部分，如na-s/se/te、na-o2、na-co2和na-br/i。然而，金属钠与电解液的持续反应导致固体电解质界面生长不稳定，金属钠和电解液的消耗较大，导致库仑效率较低。特别是在重复镀/剥离过程中，非均相金属钠沉积往往会导致钠枝晶的生长、可逆性低，短路甚至爆炸等性能和安全问题，这些是金属钠负极实际应用的主要技术障碍。

2、最近研究发现亲钠金属添加剂由于其高亲钠性而能够有效调节金属钠的均匀沉积。然而，由于在作为成核位点的钠合金的初始形成过程中不可逆地消耗了大量的钠，这将降低亲钠亲和力，并导致合金反应引起巨大的体积变化，因此会导致低库伦效率。如果利用单原子金属材料作为成核调节剂，其尺寸缩小到原子水平，这可以提供均匀的成核位置，最多限度的利于金属位点，并有效地分散钠离子通量和局部电荷密度，以实现均匀的电场分布。

3、这种单原子材料(sams)通常是通过管式炉退火制备的，其缺点是升温速率低，反应持续时间长。此外，与低金属负载量(<1wt％)的sams相比，高含量金属负载量会由于颗粒之间的相互聚集而增加制备sams的难度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于多场耦合制备超高载量单原子锌的方法及其在无负极钠电池中的应用。所述方法利用多场调节合成(mrs)技术可以在5分钟内超快速制备金属锌单原子。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:

3、一种基于多场耦合制备超高载量单原子锌的方法，包括以下步骤：将前驱体zif-8研磨后置于放电等离子体烧结炉中，设置功耗为3～4kw，输出电流为300～600a，电压为3～6v，前驱体zif-8加热阶段的压力为20～100mpa，将前驱体zif-8加热至目标温度700-800℃，并保持该目标温度5分钟，然后冷却至室温，取出块状样品并研磨成粉末，得到超高载量单原子锌。

4、进一步地，所述前驱体zif-8的制备方法如下：将六水硝酸锌与2-甲基咪唑按照质量比为2:1溶解在甲醇溶液中，室温反应12～14h，得到前驱体zif-8。

5、本发明采取了一种利用多场调节合成(mrs)技术在5分钟内超快速制备金属锌单原子的创新烧结方法，其装置机理图如图1所示，加热样品时，直流脉冲电场通过烧结体内部，使样品颗粒之间产生焦耳热，以达到快速升温和烧结的目的。与此同时外部施加压力会增加颗粒之间接触面积，加速烧结传质过程，通过该合成路线可以获得超高载量的单原子锌。本发明展示了一种超快速制备高负载量锌原子的方法，可用于调节高可逆钠金属电沉积。

技术特征：

1.一种基于多场耦合制备超高载量单原子锌的方法，其特征在于，包括以下步骤：将前驱体zif-8研磨后置于放电等离子体烧结炉中，设置功耗为3～4kw，输出电流为300～600a，电压为3～6v，前驱体zif-8加热阶段的压力为20～100mpa，将前驱体zif-8加热至目标温度700-800℃，并保持该目标温度5分钟，然后冷却至室温，取出块状样品并研磨成粉末，得到超高载量单原子锌。

2. 根据权利要求1所述的一种基于多场耦合制备超高载量单原子锌的方法，其特征在于，所述前驱体zif-8的制备方法如下：将六水硝酸锌与2-甲基咪唑按照质量比为2:1溶解在甲醇溶液中，室温反应12~14 h，得到前驱体zif-8。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法得到的超高载量单原子锌在无负极钠电池中的应用。

技术总结本发明公开了一种基于多场耦合制备超高载量单原子锌的方法及其在无负极钠电池中的应用。将前驱体ZIF‑8研磨后置于放电等离子体烧结炉中，设置功耗为3～4kW，输出电流为300～600A，电压为3～6V，前驱体ZIF‑8加热阶段的压力为20～100Mpa，将前驱体ZIF‑8加热至目标温度700‑800℃，并保持该目标温度5分钟，然后冷却至室温，取出块状样品并研磨成粉末，得到超高载量单原子锌。本发明采取了一种利用多场调节合成技术在5分钟内超快速制备金属锌单原子的创新烧结方法，加热样品时，直流脉冲电场通过烧结体内部，使样品颗粒之间产生焦耳热，以达到快速升温和烧结的目的，与此同时外部施加压力会增加颗粒之间接触面积，加速烧结传质过程，通过该合成路线可以获得超高载量的单原子锌，可用于调节高可逆钠金属电沉积。技术研发人员：陈旭东,洪振生,赵思,冯鑫福,黄锦受保护的技术使用者：福建师范大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5