含季铵盐型两性离子添加剂的水系电解质制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将可溶性锌盐加入去离子水中配置成水系锌盐电解质；步骤2：待水系锌盐电解质pH值稳定后，逐渐加入季铵盐型两性离子添加剂，持续搅拌至完全溶解后，静置，获得稳定的含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质。本发明专利技术还公开了上述制备方法制备得到的含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质，所述水系复合电解质包括溶剂、可溶性锌盐溶质和季铵盐型两性离子添加剂，本申请还公开了所述水系复合电解质在水系锌电池中可增强电池的可逆容量、库伦效率和循环稳定性。库伦效率和循环稳定性。库伦效率和循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
含季铵盐型两性离子添加剂的水系电解质制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及水系锌离子电池
，具体涉及一种含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]作为水系金属电池中有极大潜力的候选者，水系锌离子电池由于其自身独特的储能潜力：优越的理论容量(820 mAh g
‑1)、高体积能量密度、低氧化还原电位(
−
0.76V vs标准氢电极)、环境友好、高丰度和低成本等优点而备受关注。
[0003]水的存在显著的影响了电池中电极上的电化学反应过程，成为解决水系锌离子电池应用瓶颈问题的关键环节。一方面，水分子自身具有较小的半径和强极性使其可以与金属锌离子相互作用，形成较大的水合物带来高离子电导率实现在电解质和固液界面上的快速扩散，水合锌离子的存在是影响离子扩散和锌沉积/溶解的关键。但是另一方面，锌沉积过程中脱离水合锌离子的同时所释放出的水分子会残留在锌负极表面，在高活性的水分子电解质和电极之间的不稳定界面上发生不可避免的析氢反应逐渐造成锌负极表面绝缘副产物的堆积和表面钝化的持续发生。负极表面锌离子的沉积和剥离受到电场分布影响而产生不均匀沉积从而逐渐导致锌枝晶的形成，并且在此恶性循环下最终导致电池故障和失效，严重阻碍了水系锌离子电池的发展与应用。

技术实现思路

[0004]鉴于目前存在的上述不足，本专利技术提供一种含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质的制备方法和应用，本专利技术在含有锌盐溶质的水系电解质中加入季铵盐型两性离子添加剂制备水系复合电解质，利用季铵盐型两性离子添加剂中的左旋肉碱和甜菜碱及其衍生物自身同时具备阳离子和阴离子的特性，在锌负极表面吸附，显著提升锌离子迁移速率。同时直接改变电解质中锌离子溶剂化结构，减少配位和自由水分子数量，实现抑制析氢腐蚀和发生副反应的优异效果。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术提供一种含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将可溶性锌盐加入去离子水中配置成水系锌盐电解质；步骤2：待水系锌盐电解质pH值稳定后，加入季铵盐型两性离子添加剂，持续搅拌至完全溶解后，静置，获得稳定的含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质。
[0006]依照本专利技术的一个方面，所述可溶性锌盐选自硫酸锌、氯化锌、硝酸锌、乙酸锌、三氟甲烷磺酸锌、高氯酸锌、三氟甲磺酰亚胺化锌、四氟硼酸锌的一种或两种以上的组合。
[0007]依照本专利技术的一个方面，所述水系锌盐电解质中，可溶性锌盐的浓度为0.2
‑
4mol/L。
[0008]依照本专利技术的一个方面，所述季铵盐型两性离子添加剂为左旋肉碱、左旋肉碱衍生物、甜菜碱和甜菜碱衍生物的任意一种。
[0009]依照本专利技术的一个方面，所述季铵盐型两性离子添加剂为左旋肉碱、戊酰左旋肉碱、丙酰左旋肉碱、异丁酰左旋肉碱、棕榈酰左旋肉碱、甜菜碱、硫代甜菜碱、柠檬酸甜菜碱、椰油酰胺丙基甜菜碱、月桂酰胺丙基甜菜碱、肉豆蔻基甜菜碱、十二烷基二甲基甜菜碱中的任意一种。
[0010]依照本专利技术的一个方面，所述含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质中，季铵盐型两性离子添加剂的浓度为0.002
‑
1 mol/L。
[0011]基于同一专利技术构思，本专利技术还公开了由上述任一所述的含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质的制备方法制备而成的含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质。
[0012]基于同一专利技术构思，本专利技术还公开了一种电池，所述电池包括上述任一所述的含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质的制备方法制备而成的含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质。
[0013]依照本专利技术的一个方面，所述电池为所述水系复合电解质和商用锌片组装得到的对称电池；或为所述水系复合电解质和商用集流体组装得到的半电池；或所述水系复合电解质为电解质，商用锌片作为负极，CNT/MnO2或V2O5作正极，组装得到的水系锌离子电池。
[0014]依照本专利技术的一个方面，所述商用集流体选自钛箔、铜箔、镍箔、不锈钢网、铜网、镍网、泡沫铜、泡沫镍的任意一种。
[0015]本专利技术的有益效果：本专利技术的含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质中，由于季铵盐型两性离子添加剂具备大量的
‑
N(CH3)
3+
和羧基，在水系锌盐电解质中可以首先络合锌离子，改变锌离子在电解质中的溶剂化结构，从而减少配位水和自由水分子的含量，抑制活性水分子在电解质表面的吸附和分解，从而有效的提升锌负极的耐腐蚀性和循环稳定性。同时，具有形成的具有较大阴离子结构的络合锌可以显著提升锌离子电导率，加速锌离子迁移和沉积，抑制枝晶生长。
[0016]本专利技术的含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质有极强的稳定性，并且显著提升锌负极的耐腐蚀性和循环稳定性，适用于商业水系锌离子电池电解质的长期储存和使用，提高锌负极的电化学性能和循环稳定性，对称电池循环超过5000h，全电池循环接近3500圈，有效改善了水系锌离子电池的性能。
附图说明
[0017]图1为商业锌片在实施例1获得的2M硫酸锌水溶液和含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质中的电动力学极化曲线；图2（a）为商业锌片在实施例1获得的2M硫酸锌水溶液中浸泡一周后表面SEM图；图2（b）为商业锌片在实施例1获得的含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质中浸泡一周后表面SEM图；图3（a）为商业锌片对实施例1获得的2M硫酸锌水溶液的接触角测试图；图3（b）为商业锌片对实施例1获得的含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质的接触角测试图；图4为商业锌片、钛箔分别与实施例1获得的2M硫酸锌水溶液和含季铵盐型两性离
子添加剂的水系复合电解质组装半电池的库伦效率测试对比曲线；图5为商业锌片分别与实施例1获得的2M硫酸锌水溶液和含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质组装的对称电池进行循环稳定性测试的时间
‑
电压对比图；图6为商业V2O5分别与实施例1获得的2M硫酸锌水溶液和含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质组装的全电池循环的比容量和效率图；图7为商业锌片分别与实施例2获得的2M硫酸锌水溶液和含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质组装的对称电池进行循环稳定性测试的时间
‑
电压对比图；图8为商业锌片分别与实施例1和对比例1获得的含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质组装的对称电池进行循环稳定性测试的时间
‑
电压对比图；图9为商业锌片分别与实施例1获得的含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质和对比例2获得的含季铵盐型添加剂的水系复合电解质组装的对称电池进行循环稳定性测试的时间
‑
电压对比图；图10为商业锌片分别与实施例1获得的含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质和和对比例3获得的含有羧基添加剂的水系复合电解质组装的对称电池进行循环稳定性测试的时间
‑
电压对比图。
具体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将可溶性锌盐加入去离子水中配置成水系锌盐电解质；步骤2：待水系锌盐电解质pH值稳定后，加入季铵盐型两性离子添加剂，持续搅拌至完全溶解后，静置，获得稳定的含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质；其中，季铵盐型两性离子添加剂的浓度为0.002
‑
1 mol/L；可溶性锌盐的浓度为0.2
‑
4mol/L；所述季铵盐型两性离子添加剂为左旋肉碱、左旋肉碱衍生物、甜菜碱和甜菜碱衍生物的任意一种。2.根据权利要求1所述的含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质的制备方法，其特征在于，所述可溶性锌盐选自硫酸锌、氯化锌、硝酸锌、乙酸锌、三氟甲烷磺酸锌、高氯酸锌、三氟甲磺酰亚胺化锌、四氟硼酸锌的一种或两种以上的组合。3.根据权利要求1所述的含季铵盐型两性离子添加剂的水系复合电解质的制备方法，其特征在于，所述季铵盐型两性离子添加剂为左旋肉碱、戊酰左旋肉碱、丙酰左旋肉碱、异丁酰左旋肉碱、棕榈...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈月皎，于铧铭，陈立宝，陈冬萍，付梦，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：