一种水系锌离子电池新型电解液添加剂制造技术

本发明专利技术提供了一种通过添加微量磷酸胆碱添加剂达到显著抑制锌枝晶生长，提升水系锌离子电池循环稳定性和寿命的方法。所述方法包括以下步骤：向2M ZnSO4电解液中添加不同浓度的添加剂，根据一系列电化学测试和光学显微镜观察下的锌枝晶的生长，判断出抑制枝晶生长和副产物形成的最优添加浓度。本发明专利技术通过微量添加剂的使用，可将水系锌离子电池的使用寿命显著延长至1000h以上，对于抑制枝晶的生长和副产物的产生效果显著；添加剂的阴阳离子设计和选择，实现了多功能添加剂的理念，季胺盐阳离子吸附在锌负极表面形成静电屏蔽层抑制枝晶生长，含有多羟基官能团的磷酸根阴离子通过调整溶剂化结构和氢键的形成，减少析氢副反应；对于未来水系锌离子电池的商业化、长寿命应用具有重要意义。有重要意义。有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种水系锌离子电池新型电解液添加剂
[0001]本专利技术属于水系锌离子电池
，具体涉及一种水系锌离子电池长循环添加剂及含有该添加剂的锌离子水系电解液和应用。

技术介绍

[0002]与采用有机溶剂做电解液锂离子电池相比，水系锌离子电池(AZIB)采用无机盐作为电解液，具有更加安全、环保的优点。无机盐的毒性远小于有机物，且不易挥发、不易燃，更有可能在未来实现大规模的应用。然而，水系电解液目前也存在着较严重的问题，如副反应的发生，充放电过程中无法避免的析氢和产氧，以及不可控制的枝晶生长，都会缩短水系锌离子电池的使用寿命。为AZIB开发合适的水系电解液仍然是一项挑战。
[0003]向电解液中加入适量的电解液添加剂是解决上述问题的有效途径之一。微量的添加剂通常可以从抑制成核过电位、改变溶液中锌离子的溶剂化结构、与自由水形成氢键降低其活度等方面出发，解决枝晶生长、副反应的发生和析氢产氧等一系列问题，有效延长锌离子电池的工作寿命。
[0004]然而，大部分的电解质添加剂仅能从一个单一的角度出发，解决一个特定的问题，比如抑制成核过电位，减少锌枝晶的生长。很少有添加剂可以从多个方面，一次性解决枝晶和副反应两大难题。
[0005]本专利技术探索了一种多功能电解质添加剂。季胺盐阳离子吸附在锌负极表面形成静电屏蔽层抑制枝晶生长，含有多羟基官能团的磷酸根阴离子通过调整溶剂化结构和氢键的形成，减少析氢副反应，延长电池的使用寿命，改善电池循环性能。

技术实现思路

[0006]鉴于此，本专利技术采用多功能电解质调制的方法，提供了一种具有季胺盐阳离子和磷酸根阴离子的添加剂，通过形成静电屏蔽层和调整溶剂化结构，抑制枝晶生长、减少析氢副反应，延长电池循环寿命。
[0007]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]本专利技术提供的一种水系锌离子电池电解液添加剂，其特征在于：所述水系锌离子电池含有可抑制锌枝晶生长和副反应发生的添加剂，该添加剂也由季胺盐正离子和磷酸根阴离子组成，其结构式如下：
[0009][0010]以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好的达到和实现本专利技术的技术目的和有益效果。
[0011]作为本专利技术优选的技术方案，权力要求2所述的水系锌离子电池电解液添加剂，由季胺盐正离子和磷酸根基团组成；
[0012]优选的，季胺盐离子和磷酸根基团的摩尔比例为1：1。
[0013]作为本专利技术优选的技术方案，权力要求3所述的水系锌离子电池电解液添加剂质量占水系锌离子电池电解液总质量的0.1％～10％；
[0014]优选的，添加剂质量占水系锌离子电池电解液总质量的0.1％。
[0015]作为本专利技术优选的技术方案，根据权力要求4所述的水系锌离子电池电解液，包括添加剂和锌盐，其中锌盐为硫酸锌和氯化锌中的至少一种。所述组合典型但非限制性实例有：硫酸锌、氯化锌、硫酸锌和氯化锌等；
[0016]优选的，电解液使用锌盐为硫酸锌。
[0017]作为本专利技术优选的技术方案，根据权力要求5所述的水系锌离子电池电解液，其锌盐的摩尔浓度1
‑
2mol/L，例如1mol/L、1.5mol/L、2mol/L等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为2mol/L。
[0018]作为本专利技术优选的技术方案，所述方法包括以下步骤：
[0019](1)如权利要求2中所述，水系锌离子电池电解液添加剂，由季胺盐正离子和磷酸根基团1：1组成；
[0020](2)如权力要求3所述，水系锌离子电池电解液添加剂质量占水系锌离子电池电解液总质量的0.1％；
[0021](3)如权力要求4所述，水系锌离子电池电解液，包括添加剂和锌盐，其中锌盐为硫酸锌；
[0022](4)如权力要求5所述，水系锌离子电池电解液其锌盐的摩尔浓度2mol/L。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0024](1)季胺盐阳离子吸附在锌负极表面形成静电屏蔽层抑制枝晶生长；
[0025](2)含有多羟基官能团的磷酸根阴离子通过调整溶剂化结构和氢键的形成，减少析氢副反应。
附图说明
[0026]图1是本专利技术具体实施方式部分提供的水系锌离子电池添加剂作用机理示意图。
[0027]图2、3是采用不同配比的电解液添加剂实施例与对比例的电化学性能对比示意图。
具体实施方式
[0028]为更好地说明本专利技术，便于理解技术方案，下面对本专利技术进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本专利技术的简易例子，并不代表或限制本专利技术的权利保护范围，本专利技术保护范围以权利要求书为准。
[0029]实施例1：
[0030]本实施例的水系锌离子电池电解液由无机盐电解液和电解液添加剂组成。电解液添加剂，由季胺盐正离子和磷酸根基团1：1组成，电解液添加剂质量占水系锌离子电池电解液总质量的5％，电解液使用的无机锌盐为摩尔浓度2mol/L硫酸锌。
[0031]图1是该新型电解质添加剂的作用机理，季胺根阳离子吸附在沉积的活性锌原子表面，表现出静电屏蔽的功能，阻止了局部高强电场引起的失控枝晶生长。与此同时，磷酸
根阴离子与水中的锌离子形成一种全新的溶剂化结构，调整锌离子在负极的沉积速率，同时抑制析氢副反应的发生。
[0032]实施例2：
[0033]本实施例的水系锌离子电池电解液由无机盐电解液和电解液添加剂组成。电解液添加剂，由季胺盐正离子和磷酸根基团1：1组成，电解液添加剂质量占水系锌离子电池电解液总质量的0.1％，电解液使用的无机锌盐为摩尔浓度2mol/L硫酸锌。
[0034]对比例1：
[0035]本对比例的水系锌离子电池电解液由无机盐组成，电解液使用的无机盐为摩尔浓度为2mol/L硫酸锌。
[0036]将上述实施例和对比列应用于锌
‑
锌对称式电池中，用10mA/cm
‑2的电流密度进行充放电，充放电循环一次时间为1小时。其各自的电化学性能如图2所示。其中，未使用添加剂的对比例，在经过短短几十个小时之后，就发生了短路；而使用了添加剂的实施例1和2，其循环时长均超过100小时，循环寿命显著优于对比例。特别的，使用了最优添加剂配比的实施例2，循环时长可超过200h。
[0037]综合上述实施例可以看出，本专利技术所述方法制备步骤简单、反应条件温和且易控制，对水系锌离子电池抑制枝晶生长和析氢及大批量工业化生产具有重要的意义。
[0038]申请人声明，本专利技术通过上述实施例来说明本专利技术的详细方法，但本专利技术并不局限于上述详细方法，即不意味着本专利技术必须依赖上述详细方法才能实施。所属
的技术人员应该明了，对本专利技术的任何改进，对本专利技术所用原料的等效替换及辅助原料的添加、具体方式的选择等，均落在本专利技术的保护范围和公开范围之内。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水系锌离子电池电解液添加剂，其特征在于：所述水系锌离子电池含有可抑制锌枝晶生长和副反应发生的添加剂，该添加剂质量占水系锌离子电池电解液总质量的0.1％～10％；所述水系锌离子电池长循环添加剂为含有季胺盐正离子和磷酸根阴离子的化合物。2.根据权利要求1所述的水系锌离子电池电解液添加剂，其特征在于：由季胺盐正离子和磷酸根基团组成。3.根据权利要求1所述的水系锌离...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈人杰，燕乔一，李丽，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：