一种水系锌离子电池电解液及其应用制造技术

本申请公开了一种水系锌离子电池电解液及其应用,电解液包括锌盐、两性分子添加剂和纯水，所述两性分子添加剂的化学通式为M

【技术实现步骤摘要】
一种水系锌离子电池电解液及其应用


[0001]本专利技术属于电解液的
，尤其涉及一种水系锌离子电池电解液及其应用。

技术介绍

[0002]近年来，传统能源短缺和环境污染等问题日益严峻，推动了可再生能源的大力发展。与此同时，发展稳定、可靠、安全的储能技术迫在眉睫。虽然传统锂离子电池以其优异的能量密度及循环稳定性，占据了大部分储能市场，但是，其固有的成本和安全问题，严重限制了其在大规模储能以及可穿戴设备等领域中的应用。水系离子电池可从根本上避免易燃的有机电解液因电池热失控带来的安全性问题，同时大大降低了制造成本。其中，水系锌离子电池，因锌负极理论容量高(体积容量为5855mA h cm
‑3，质量比容量820mA h g
‑1)、材料和组装成本低等优势，成为了最有希望替代传统锂离子电池，实现大规模产业化的二次电池之一。
[0003]锌离子电池的发展很大程度上依托于金属锌负极性能的突破。金属锌负极存在枝晶生长、电解液副反应等问题，尤其是在大电流/大容量充放电条件下，往往导致库伦效率低下、循环寿命受限。此外，负极的不可逆沉积/剥离，使得锌负极利用率低，严重限制了锌离子电池的能量密度。针对上述问题，研究人员做了大量探索，主要包括：设计三维集流体、构建人工界面层、开发电解液添加剂等。其中，通过引入电解液添加剂来改善锌负极问题，是最简单经济的方法之一。合适的添加剂不仅可以优先吸附于界面，有效平衡锌负极界面的离子浓度和电场分布，实现锌的均匀沉积；同时，还可以调控溶液中锌离子的溶剂化结构，显著降低界面活性水分子含量，有效抑制析氢副反应。目前，科研人员已经报道了许多有用的水系锌离子电池电解液添加剂，主要包括阳离子型添加剂、阴离子型添加剂、有机分子添加剂等。但是，目前所开发的电解液依然存在以下问题。首先，阳离子型添加剂虽然能调节界面电场，在锌沉积过程中有效屏蔽“尖端效应”，但是不能有效调控电解液中锌离子的溶剂化结构。其次，对于阴离子型添加剂和有机分子添加剂，丰富的亲核位点能有效调节锌离子溶剂化结构，有效抑制析氢反应，但该类添加剂常常与锌盐溶液相容性差，导致添加剂可溶解范围小而不能充分发挥保护作用。此外，在充放电过程中，界面状态持续动态变化，特别是在大电流、深度放电过程中，添加剂对负极界面的保护作用存在很大的不确定性，极有可能导致界面保护作用失效，无法提高锌负极利用率，从而严重限制了锌离子电池的能量密度。基于以上分析，亟需开发新型电解液添加剂，抑制枝晶生长和析氢副反应，提高锌负极利用率。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是解决
技术介绍
中的问题，提出一种水系锌离子电池电解液及其应用。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提出了一种水系锌离子电池电解液，所述电解液包括锌盐、两性分子添加剂和纯水，所述两性分子添加剂的化学通式为M
‑
R
‑
N，其中，M含带正电的
季铵基团，N为带负电的磺酸根基团或羧酸根基团，R为饱和烷基碳链，饱和烷基碳链用于连接带正电的季铵基团以及带负电的磺酸根基团或羧酸根基团，所述两性分子添加剂为中性电荷。
[0006]作为优选，所述锌盐包括硫酸锌、氯化锌、三氟甲基磺酸锌、醋酸锌、硝酸锌中的至少一种。
[0007]作为优选，所述电解液中锌盐的浓度为1～3M。
[0008]作为优选，所述电解液中两性分子添加剂的浓度为0.005～4M。
[0009]作为优选，所述两性分子添加剂的化学通式中M为(CH3)3N
+
‑
、C
n
H
2n+1
(CH3)2N
+
‑
(n＝2～5)C2H4OH(CH3)2N
+
‑‑
中的一种。
[0010]作为优选，当所述两性分子添加剂的化学通式中N为带负电的磺酸根基团时，两性分子添加剂为磺酸基两性分子。
[0011]作为优选，当所述两性分子添加剂的化学通式中N为带负电的羧酸根基团时，两性分子添加剂为羧酸基两性分子。
[0012]本专利技术还提出了一种上述电解液在锌基储能器件中的应用，所述锌基储能器件包括锌离子电池、锌离子混合电容器、锌
‑
空气电池中的至少一种。
[0013]本专利技术的有益效果：
[0014]1)本专利技术提供的电解液包含的两性分子添加剂为同时含有正电荷和负电荷的两性分子，添加剂可以自适应地优先于水分子吸附在锌负极表面，有效减少界面水分子对锌负极的腐蚀，同时，吸附在锌电极/电解液界面的添加剂分子能够均匀界面电场，抑制锌离子二维扩散，从而有效抑制枝晶生长，实现致密且均匀的沉积。
[0015]2)本专利技术中电解液添加两性分子添加剂，其负电基团能够参与锌离子的溶剂化结构，减少溶剂化水分子，有效抑制界面析氢副反应。
[0016]3)与不含添加剂的电解液相比，本专利技术含两性分子添加剂的电解液，能大大提高锌/锌对称电池的循环寿命，显著提高锌金属负极利用率。
[0017]4)本专利技术所提供电解液中的两性分子添加剂，一般在锌盐溶液中溶解度大于2M，与锌离子有良好的相容性，在与各种锌盐及其它添加剂组合使用时，可调浓度范围宽。
[0018]本专利技术的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
[0019]图1是本专利技术实施例1和对比例1的锌/锌对称电池在5mA cm
‑2，5mAh cm
‑2条件下的恒流充放电曲线图。
[0020]图2是本专利技术实施例2和对比例2的锌/锌对称电池在5mA cm
‑2，5mAh cm
‑2条件下的恒流充放电曲线图。
[0021]图3是本专利技术实施例3和对比例3的电解液中锌片浸泡5天后的XRD图。
[0022]图4是本专利技术实施例3和对比例3的电解液中锌在铜箔上的沉积形貌图。
[0023]图5是本专利技术实施例3和对比例3的锌/锌对称电池在10mA cm
‑2，10mAh cm
‑2条件下的恒流充放电曲线图。
[0024]图6是本专利技术实施例4和对比例4的锌/锌对称电池在5mA cm
‑2，5mAh cm
‑2条件下的
恒流充放电曲线图。
[0025]图7是本专利技术实施例4和对比例4的锌/锌对称电池在10mA cm
‑2，15mAh cm
‑2条件下的恒流充放电曲线图。
具体实施方式
[0026]为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0027]实施例1
[0028]本实施例提供一种水系锌离子电池电解液，该电解液包括锌盐、两性分子添加剂和纯水，两性分子添加剂的化学通式为M
‑
R
‑
N，其中，M为含带正电的季铵基团N为带负电的磺酸根基团R为饱和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水系锌离子电池电解液，其特征在于：所述电解液包括锌盐、两性分子添加剂和纯水，所述两性分子添加剂的化学通式为M
‑
R
‑
N，其中，M含带正电的季铵基团，N为带负电的磺酸根基团或羧酸根基团，R为饱和烷基碳链，饱和烷基碳链用于连接带正电的季铵基团以及带负电的磺酸根基团或羧酸根基团，所述两性分子添加剂为中性电荷。2.如权利要求1所述的水系锌离子电池电解液，其特征在于：所述锌盐包括硫酸锌、氯化锌、三氟甲基磺酸锌、醋酸锌、硝酸锌中的至少一种。3.如权利要求1所述的水系锌离子电池电解液，其特征在于：所述电解液中锌盐的浓度为1～3M。4.如权利要求1所述的水系锌离子电池电解液，其特征在于：所述电解液中两性分子添加剂的浓度为0.005～4M。5.如权利要求1所述的水系锌离子电池电解液，其特征在于：所述两性分子添加剂的化学通式中M...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴星星，姜银珠，张漩，
申请(专利权)人：浙江大学杭州国际科创中心，
类型：发明
国别省市：