一种单晶锌负极、制备方法及其在装配高性能锌电池的应用

本发明涉及锌金属电池，具体涉及一种单晶锌负极、制备方法及其在装配高性能锌电池的应用。

背景技术：

1、近年来，锂离子电池技术日益完善，成为新一代电化学储能的佼佼者，然而，目前商业锂离子电池中所采用的有机电解液存在易燃的风险，给锂电池带来了显著的应用阻碍和安全隐患，此外，锂金属的高成本和资源分布不均衡也限制了锂电池在大规模储能应用中的快速推广。

2、得益于高比容量和卓越的安全性能，水系锌离子电池在当下能源紧缺环境下备受关注，锌金属负极具备低成本、无毒和高比容量的优势，其体积比容量甚至达到了5855mah/cm3，远超锂金属负极(2061mah/cm3)，从而展现出极高的应用前景，然而目前锌负极在水系电解液中的电化学反应不稳定，容易在负极/电解液界面发生腐蚀和析氢等副反应，形成的氧化锌和氢氧化锌等低离子电导率化合物，从而降低锌电池的循环寿命。

3、研究表明，相较于锌和晶面，锌(0002)晶面显示出最低的表面能和最缓慢的析氢反应速率，并且能够引导溶剂化的锌离子沉积/成核，然而商业的锌板显示出多晶面组分的暴露，锌离子的嵌入/脱出会产生晶格扭曲，最终导致容量的快速衰减和电池失效，因此，保持单一晶面的暴露能够维持锌负极的高性能表现，但是目前仍然存在许多挑战。

技术实现思路

1、本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种单晶锌负极、制备方法及其在水系锌电池中的应用。

2、本发明提供了一种单晶锌负极的制备方法，具有这样的特征，包括以下步骤：

3、步骤s1，裁剪、清洁并干燥黄铜箔，得到黄铜箔衬底；

4、步骤s2，将黄铜箔衬底放置在管式炉的中心区域，准备反应物乙酰丙酮铜和四氯苯醌，将乙酰丙酮铜放置在管式炉的上游部分，将四氯苯醌放置在下游部分，确保反应物均匀分布；

5、步骤s3，向管式炉内通入惰性气体，逐步升高炉温至300-500℃，并在该温度下保持1.5-2.5小时，以驱动cu3(c6o6)2薄膜的沉积反应，完成反应后，逐渐冷却至室温，并取出已合成cu3(c6o6)2薄膜的黄铜箔衬底；

6、步骤s4：将已合成cu3(c6o6)2薄膜的黄铜箔衬底装配在纽扣电池中作为工作电极，通过电沉积法在cu3(c6o6)2薄膜表面沉积锌层，以获得具有单一晶面曝光的单晶锌负极。

7、在本发明提供的单晶锌负极的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤s3中的炉温为300℃。

8、在本发明提供的单晶锌负极的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤s3中炉温保持的时间为2小时。

9、在本发明提供的单晶锌负极的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，乙酰丙酮铜和四氯苯醌的质量比为1:(0.2-0.3)。

10、在本发明提供的单晶锌负极的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，管式炉中通入的稀有气体为氩气，氩气流速设定为2-5l/min，确保反应区内的气氛纯净无氧。

11、本发明还提供了一种单晶锌负极，具有这样的特征，通过单晶锌负极的制备方法制备得到。

12、在本发明提供的单晶锌负极，还可以具有这样的特征：其中，单晶锌负极包括黄铜箔衬底、合成在黄铜箔衬底上的cu3(c6o6)2薄膜以及通过电沉积法在cu3(c6o6)2薄膜表面沉积的锌层。

13、本发明还提供了一种单晶锌负极在装配高性能锌电池的应用。

14、在本发明提供的单晶锌负极在装配高性能锌电池的应用中，还可以具有这样的特征：其中，用于装配的锌电池包括锌铜半电池，锌对称电池以及锌二氧化锰全电池，用于装配的电池为锌对称电池时，选用1ma cm-2、1mah cm-2的条件；用于装配的电池为锌铜半电池时，选用10ma cm-2的条件；用于装配的电池为锌二氧化锰全电池时，选用1.47ah，1a/g电流的条件。

15、在本发明提供的单晶锌负极在装配高性能锌电池的应用中，还可以具有这样的特征：其中，以单晶锌负极作为锌金属电池的负极材料，电解液为硫酸锌水系电解液，锌电池电解液在电池循环过程中，锌盐中的锌离子受到单晶锌负极的调控，在黄铜基底上形成致密的锌沉积。

16、发明的作用与效果

17、根据本发明所涉及的单晶锌负极、制备方法及其在水系锌电池中的应用，本发明通过气相沉积法将金属有机框架材料cu3(c6o6)2沉积在黄铜基底上，利用黄铜基底与沉积锌层之间的低晶格失配性，有效地促使电镀锌层中的锌原子沿(0002)晶面有序排列，显著提高了锌负极表面的均匀性，减少了不同晶面间的取向差异和晶格畸变。这种单一晶面的优先暴露降低了锌负极的表面能，有助于实现稳定的锌离子沉积/剥离过程，延长了电池的使用寿命。

18、本发明中的有序多孔cu3(c6o6)2膜为锌离子提供了快速传输通道，同时降低了锌离子在沉积过程中的过电位。这种设计有效地降低了锌离子的成核能垒，阻止了枝晶的无序生长，抑制了在低电流密度下常见的氢气析出反应。

技术特征：

1.一种单晶锌负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的单晶锌负极的制备方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的单晶锌负极的制备方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的单晶锌负极的制备方法，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的单晶锌负极的制备方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的一种单晶锌负极，其特征在于，通过权利要求1-5任一项所述的单晶锌负极的制备方法制备得到。

7.根据权利要求6所述的一种单晶锌负极，其特征在于，所述单晶锌负极包括黄铜箔衬底、合成在黄铜箔衬底上的cu3(c6o6)2薄膜以及通过电沉积法在cu3(c6o6)2薄膜表面沉积的锌层。

8.一种如权利要求6或7所述的单晶锌负极在装配高性能锌电池的应用。

9.根据权利要求8所述的单晶锌负极在装配高性能锌电池的应用，其特征在于，

10.根据权利要求9所述的单晶锌负极在装配高性能锌电池的应用，其特征在于，

技术总结本发明提供了一种单晶锌负极、制备方法及其在装配高性能锌电池的应用，单晶锌负极的制备包括以下步骤：步骤S1，裁剪、清洁并干燥黄铜箔，得到黄铜箔衬底；步骤S2，将黄铜箔衬底放置在管式炉中心区域，准备反应物乙酰丙酮铜和四氯苯醌；步骤S3，向管式炉内通入惰性气体，升高炉温至300‑500℃，并保持1.5‑2.5小时，以驱动Cu<subgt;3</subgt;(C<subgt;6</subgt;O<subgt;6</subgt;)<subgt;2</subgt;薄膜的沉积反应，完成反应后，冷却至室温，并取出已合成Cu<subgt;3</subgt;(C<subgt;6</subgt;O<subgt;6</subgt;)<subgt;2</subgt;薄膜的黄铜箔衬底；步骤S4：将已合成Cu<subgt;3</subgt;(C<subgt;6</subgt;O<subgt;6</subgt;)<subgt;2</subgt;薄膜的黄铜箔衬底装配在纽扣电池中作为工作电极，通过电沉积法在Cu<subgt;3</subgt;(C<subgt;6</subgt;O<subgt;6</subgt;)<subgt;2</subgt;薄膜表面沉积锌层，以获得具有单一晶面曝光的单晶锌负极。技术研发人员：刘明贤,张达,宋子洋,缪灵,甘礼华受保护的技术使用者：同济大学技术研发日：技术公布日：2024/12/12