本申請涉及一種原位凝膠涂層及其制備方法和在水系鋅離子電池中的應(yīng)用，屬于水系電池材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、隨著全球環(huán)境污染加劇和能源資源枯竭的日益嚴峻，開發(fā)綠色儲能設(shè)備的需求愈發(fā)迫切。在眾多儲能技術(shù)中，水系電池因其固有的安全性和低環(huán)境要求而受到廣泛關(guān)注。鋅負極憑借其相對較高的氧化還原電位(-0.76v)和較高的質(zhì)量比容量(820mah?g-1)，在水系電池中展現(xiàn)出優(yōu)越的應(yīng)用潛力。然而，鋅負極在實際應(yīng)用中面臨枝晶生長、腐蝕和析氫等問題，這些挑戰(zhàn)嚴重限制了水系鋅離子電池的商業(yè)化進程。因此，迫切需要探尋有效的策略，以克服這些障礙，從而促進水系鋅離子電池的實用化。

2、為了解決鋅負極在水系鋅離子電池應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，研究者們提出了多種優(yōu)化策略，包括三維鋅基底的設(shè)計、電解液組分的優(yōu)化以及人工界面的修飾。然而，三維鋅基底設(shè)計雖然有助于提供均勻的電流密度，但也可能加劇鋅的腐蝕。此外，盡管所使用的磺酸鋅電解液在性能上表現(xiàn)優(yōu)異，但其高昂的成本仍然是一個亟待解決的問題。相比之下，構(gòu)建有效的人工界面層被認為是一種直接且有效的方法，能夠顯著提升鋅負極的循環(huán)壽命和利用率。無機涂層，如tio2、zro2和batio3，已被證明能夠均勻分配鋅離子的傳輸通量，從而減少枝晶的生成。然而，這些無機涂層通常具有較差的柔韌性和界面粘附力，導(dǎo)致在循環(huán)過程中易發(fā)生界面分離和失效。相對而言，聚合物有機涂層(如聚丙烯腈(pan)、聚二甲基硅氧烷(pdms)和聚氨酯(tpu))因其較好的柔韌性和粘附性能而受到關(guān)注。然而，這些親水性較弱的聚合物涂層對水分子的約束能力有限，仍然可能引發(fā)析氫等副反應(yīng)。而親水性強且具備較高柔韌性和粘結(jié)力的聚合物有機涂層能夠調(diào)控鋅離子的均勻沉積，并直接抑制水分子的電化學(xué)活性，從而有效遏制鋅負極的鋅枝晶生長和腐蝕析氫現(xiàn)象。然而，這些凝膠涂層制備工藝往往較為復(fù)雜，并且使用的有機溶劑可能對環(huán)境造成污染。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有聚合物有機涂層工藝較為復(fù)雜，且使用有機溶劑可能對環(huán)境造成污染的問題，本發(fā)明設(shè)計一種簡單且環(huán)保的多功能原位凝膠涂層，應(yīng)用于水系鋅離子電池，可實現(xiàn)zn2+的平穩(wěn)傳輸、抑制鋅枝晶生長及腐蝕析氫副反應(yīng)的發(fā)生。

2、根據(jù)本申請的第一個方面，提供一種原位凝膠涂層。

3、一種原位凝膠涂層，所述原位凝膠涂層包括多糖聚合物和小分子糖。

4、可選地，所述多糖聚合物能與鋅離子形成配位吸附或螯合。

5、可選地，所述多糖聚合物選自殼聚糖及其鹽、海藻酸及其鹽、果膠、羧甲基纖維素及其鹽中的至少一種；

6、所述小分子糖選自葡萄糖、麥芽糖、乳糖、蔗糖中的至少一種。

7、可選地，殼聚糖的鹽為其對應(yīng)的鹽酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽、磺酸鹽中的至少一種；

8、海藻酸的鹽、羧甲基纖維素的鹽為其對應(yīng)的銨鹽、鈉鹽、鉀鹽、鋰鹽中的至少一種。

9、各多糖聚合物的鹽可以是多糖陽離子(如殼聚糖)的陰離子鹽，例如為鹽酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽、磺酸鹽等中的至少一種。另外，所述的多糖的鹽還可以是多糖陰離子(如海藻酸、羧甲基纖維素)的陽離子鹽，例如為銨鹽、鈉鹽、鉀鹽、鋰鹽等中的至少一種?？紤]到處理成本和協(xié)同處理效果，所述的多糖混合物進一步優(yōu)選為羧甲基纖維素、羧甲基纖維素鈉、羧甲基纖維素鋰中的至少一種。

10、所述的小分子糖為葡萄糖、乳糖、麥芽糖、蔗糖中的至少一種；進一步可以為葡萄糖、蔗糖中的至少一種。

11、可選地，所述多糖聚合物與小分子糖的重量比為2:1～1:3。

12、優(yōu)選地，所述多糖聚合物與小分子糖的重量比為1:1～1:2。

13、根據(jù)本申請的第二個方面，提供一種原位凝膠涂層的制備方法。

14、上述所述的原位凝膠涂層的制備方法，將包含多糖聚合物、小分子糖和水的膠液涂覆在金屬鋅表面，干燥，得到原位凝膠涂層。

15、可選地，所述膠液涂覆的方式選自涂布、輥涂、印刷中的至少一種。

16、可選地，所述膠液中，多糖聚合物的濃度為1g:100ml～10g:100ml，優(yōu)選為2g:100ml～6g:100ml。

17、可選地，所述膠液中，多糖聚合物與小分子糖的重量比為2:1～1:3。

18、優(yōu)選地，所述膠液中，所述多糖聚合物與小分子糖的重量比為1:1～1:2。

19、可選地，在室溫下干燥1h以上，優(yōu)選地為3h～6h。

20、根據(jù)本申請的第三個方面，提供一種原位凝膠涂層的應(yīng)用。

21、上述所述的原位凝膠涂層在水系鋅離子電池中的應(yīng)用。

22、可選地，所述原位凝膠涂作為鋅金屬負極的涂層。

23、水系鋅離子電池，電芯包含正極、隔膜、含原位凝膠涂層復(fù)合鋅負極和電解液。

24、所述正極的活性物質(zhì)選自釩基材料、錳基材料、普魯士藍化合物中的至少一種；

25、所述釩基材料選自釩酸鈉、釩酸鉀、五氧化二釩中的至少一種；

26、所述錳基材料選自二氧化錳。

27、所述隔膜為玻璃纖維隔膜、高分子磺化隔膜中的至少一種。

28、水系鋅離子電池還包含容納所述的電芯的電池殼。

29、本發(fā)明所述的水系鋅離子電池，其除了包含本發(fā)明所述的原位凝膠涂層復(fù)合鋅金屬負極外，其他的材料、電池結(jié)構(gòu)和部件均可以是行業(yè)內(nèi)公知的；例如，本發(fā)明中，所述的正極可以為二氧化錳、五氧化二釩、釩酸鈉中的至少一種；所述的水系鋅離子電池還包含容納所述的電芯的電池殼。

30、針對現(xiàn)有凝膠涂層制備過程較為復(fù)雜且使用有機溶劑造成的不環(huán)保問題，本發(fā)明的研究表明，創(chuàng)新性地將多糖聚合物與小分子糖結(jié)合制備的涂層不僅環(huán)保，而且通過調(diào)控鋅離子的定向沉積，以及小分子糖與多糖聚合物形成的氫鍵網(wǎng)絡(luò)對水分子的約束作用，原位凝膠涂層有效地提高了水系鋅離子電池中鋅負極的電化學(xué)性能。

31、本申請能產(chǎn)生的有益效果包括：

32、本申請所提供的原位凝膠涂層及其制備方法、應(yīng)用，具有良好的抑制鋅金屬負極枝晶和腐蝕析氫的效果，能夠顯著改善水系鋅離子電池的循環(huán)性能。本發(fā)明原料成本低，且工藝操作簡單環(huán)保，易于規(guī)?；a(chǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種原位凝膠涂層，其特征在于，所述原位凝膠涂層包括多糖聚合物和小分子糖。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位凝膠涂層，其特征在于，所述多糖聚合物能與鋅離子形成配位吸附或螯合。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位凝膠涂層，其特征在于，所述多糖聚合物選自殼聚糖及其鹽、海藻酸及其鹽、果膠、羧甲基纖維素及其鹽中的至少一種；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位凝膠涂層，其特征在于，所述多糖聚合物與小分子糖的重量比為2:1～1:3；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位凝膠涂層，其特征在于，殼聚糖的鹽為其對應(yīng)的鹽酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽、磺酸鹽中的至少一種；

6.權(quán)利要求1～5任一項所述的原位凝膠涂層的制備方法，其特征在于，將包含多糖聚合物、小分子糖和水的膠液涂覆在金屬鋅表面，干燥，得到原位凝膠涂層。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述膠液涂覆的方式選自涂布、輥涂、印刷中的至少一種；

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述膠液中，多糖聚合物的濃度為1g:100ml～10g:100ml，優(yōu)選為2g:100ml～6g:100ml；

9.權(quán)利要求1～5任一項所述的原位凝膠涂層在水系鋅離子電池中的應(yīng)用。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于，所述原位凝膠涂作為鋅金屬負極的涂層。

技術(shù)總結(jié)
本申請公開了一種原位凝膠涂層及其制備方法和在水系鋅離子電池中的應(yīng)用，屬于水系電池材料領(lǐng)域。所述原位凝膠涂層包括多糖聚合物和小分子糖。所述多糖聚合物能與鋅離子形成配位吸附或螯合。所述多糖聚合物選自殼聚糖及其鹽、海藻酸及其鹽、果膠、羧甲基纖維素及其鹽中的至少一種；所述小分子糖選自葡萄糖、麥芽糖、乳糖、蔗糖中的至少一種。該原位凝膠涂層具有良好的抑制鋅金屬負極枝晶和腐蝕析氫的效果，能夠顯著改善鋅離子電池的循環(huán)性能。本發(fā)明原料成本低，且工藝操作簡單環(huán)保，易于規(guī)模化生產(chǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：張易寧,劉志鵬,邱計凱,陳素晶
受保護的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15