一种构造有机阴离子富集界面抑制锌枝晶的电解液制造技术

本发明专利技术涉及一种构造有机阴离子富集界面抑制锌枝晶的电解液，属于电解液改性领域。本发明专利技术使用少量乙酰磺胺酸钾(ACE)作为电解液添加剂来有效抑制锌枝晶的生长和多种副反应的发生，提升水系锌离子电池循环稳定性和寿命的方法。具体方法为：将少量的乙酰磺胺酸钾作为添加剂直接加入到硫酸锌电解液中，通过在锌表面构建一个有机阴离子富集界面实现水系锌离子电池的4600小时(超过6个月)寿命。本发明专利技术对于水系锌离子电池日后的长寿命应用具有深远意义。意义。意义。

【技术实现步骤摘要】
一种构造有机阴离子富集界面抑制锌枝晶的电解液


[0001]本专利技术涉及一种构造有机阴离子富集界面抑制锌枝晶的电解液，属于电解液改性领域。

技术介绍

[0002]近年来，水系锌离子电池由于其显著的优点，如高容量、成本低、环保和高安全性，已成为人们关注的焦点。然而，不可控的锌枝晶生长仍然是限制锌离子电池寿命的关键因素。具体而言，在电解液/电极界面处不均匀的Zn
2+
通量和不均匀的电场分布会导致树枝状的锌沉积。生长的锌枝晶具有高杨氏模量，很容易穿透隔膜并连接两个电极造成内部短路，导致电池过早地失效。此外，在电化学循环过程中，锌负极上发生了猖獗的副反应(即析氢反应、锌腐蚀)，进一步产生不良的副产物((Zn(OH)2)3(ZnSO4)(H2O)
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)。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了解决锌离子电池当前棘手的锌枝晶生长严重和副反应发生的问题，提供一种构造有机阴离子富集界面抑制锌枝晶的电解液。本专利技术通过构造一个有机阴离子富集界面来有效抑制锌离子电池中枝晶和副反应，大幅延长水系锌离子电池的循环寿命。
[0004]为实现上述技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0005]一种构造有机阴离子富集界面抑制锌枝晶的电解液添加剂，由乙酰磺胺酸离子(C4H4NO4S
‑
)和钾离子(K
+
)组成，其结构式如下：
[0006][0007]含有上述添加剂的水系锌离子电池电解液，由添加剂、可溶性锌盐及去离子水组成，所述添加剂在锌表面构建一个有机阴离子富集界面；所述可溶性锌盐为硫酸锌，化学式为ZnSO4·
7H2O，摩尔浓度为1～3mol；所述添加剂为乙酰磺胺酸钾，化学式为C4H4KNO4S，在水系锌离子电池电解液中的摩尔浓度为1～100mmol/L。
[0008]作为优选，可溶性锌盐的摩尔浓度为2mol/L；添加剂在水系锌离子电池电解液中的摩尔浓度为10mmol/L；
[0009]所述电解液的溶剂为去离子水；所述电解液的pH值为3～6。
[0010]采用上述电解液制备的水系锌离子电池，是以锌金属为负极、锌金属为正极、玻璃纤维为隔膜、水系锌离子电池电解液组装成的Zn||Zn对称电池。
[0011]本专利技术的电解液添加剂可用于锌离子电化学储能装置中。
[0012]有益效果：
[0013]1、乙酰磺胺酸钾在水中具有高溶解度，在热和酸度方面都具有显著的稳定性，使其成为适合低成本、无毒、安全应用的电解液添加剂。
[0014]2、本专利技术在电解液中引入乙酰磺胺酸钾添加剂，其中的乙酰磺胺酸离子可吸附在锌负极表面，构建一个有机阴离子富集界面，在锌表面形成一个贫水的双电层，可抑制析氢和锌腐蚀的发生。
[0015]3、本专利技术在电解液中引入乙酰磺胺酸钾添加剂，界面处的乙酰磺胺酸离子可以通过不同的供体原子与锌离子形成配位键，增大锌沉积的成核过电位，细化晶粒，更好地抑制锌枝晶生长。
[0016]4、本专利技术在电解液中引入乙酰磺胺酸钾添加剂，其中的乙酰磺胺酸离子在电化学循环过程中可被分解成富含硫化锌的固体电解质界面膜，进一步抑制枝晶生长和副反应。
[0017]5、本专利技术在硫酸锌电解液中引入少量乙酰磺胺酸钾添加剂，所述的电解液与锌金属正极、锌金属负极以及玻璃纤维隔膜组装成的Zn||Zn对称电池在1mA/cm2和1mAh/cm2的条件下循环了4600小时(超过6个月)。
[0018]6、本专利技术还提供了上述乙酰磺胺酸钾添加剂在锌锰电池中的应用实例。所述锌锰电池的负极为金属锌，正极为二氧化锰。
附图说明
[0019]图1是本专利技术提供的水系锌离子电池电解液作用机理示意图；
[0020]图2是锌对称电池在ZnSO4电解液和含乙酰磺胺酸钾的ZnSO4电解液中的循环寿命测试图；
[0021]图3是光学显微镜对锌沉积进行原位观察的光镜图；其中，图a为锌在ZnSO4电解液下电沉积的光镜图，图b为锌在含乙酰磺胺酸钾的ZnSO4电解液下电沉积的光镜图；
[0022]图4是锌箔在ZnSO4电解液和含乙酰磺胺酸钾的ZnSO4电解液中循环后的原子力显微镜2D与3D形貌图；其中，图a为锌在ZnSO4电解液下循环后的原子力显微镜2D与3D形貌图，图b为锌在含乙酰磺胺酸钾的ZnSO4电解液下循环后的原子力显微镜2D与3D形貌图；
[0023]图5是在ZnSO4电解液和含乙酰磺胺酸钾的ZnSO4电解液中测的成核过电位图；
[0024]图6是在ZnSO4电解液和含乙酰磺胺酸钾的ZnSO4电解液中测的线性伏安扫描测试图；
[0025]图7是锌箔在ZnSO4电解液和含乙酰磺胺酸钾的ZnSO4电解液中浸泡2周后的扫描电镜图；其中，图a为锌在ZnSO4电解液中浸泡后的扫描电镜图，图b为锌在含乙酰磺胺酸钾的ZnSO4电解液中浸泡后的扫描电镜图；
[0026]图8是锌箔在ZnSO4电解液和含乙酰磺胺酸钾的ZnSO4电解液中循环10与30圈后的XRD图谱；
[0027]图9是锌锰电池在ZnSO4电解液和含乙酰磺胺酸钾的ZnSO4电解液中的循环性能测试图。
具体实施方式
[0028]下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明。
[0029]本专利技术采取一种构造有机阴离子富集界面来抑制锌离子电池中锌枝晶的电解液，
来实现水系锌离子电池的长循环寿命。该水系锌离子电池所用的电解液添加剂为乙酰磺胺酸钾，由乙酰磺胺酸离子(C4H4NO4S
‑
)和钾离子(K
+
)组成，简称ACE。
[0030]实施例1：
[0031]先制备不含添加剂的水系锌离子电池电解液。将1mol的硫酸锌溶解在去离子水中，在500ml的容量瓶中定容，可得到2mol/L的ZnSO4电解液，即得到了对比试验的水系锌离子电池电解液。
[0032]本实施例的水系锌离子电池电解液由可溶性锌盐电解液和电解液添加剂组成。将1～100mmol的乙酰磺胺酸钾添加剂加入到上述配制好的2mol/LZnSO4电解液中，经搅拌使乙酰磺胺酸钾溶解，最终制得含有添加剂的水系锌离子电池电解液。将上述制得的电解液与锌金属正极、锌金属负极以及玻璃纤维隔膜进行匹配，经过压片机对扣式电池进行封口组装成Zn||Zn对称电池。
[0033]图1是该电解液添加剂的作用机理。乙酰磺胺酸离子可吸附在锌负极表面，在锌负极表面构建一个有机阴离子富集界面，同时形成一个贫水的双电层，可抑制析氢和锌腐蚀的发生。而且，界面处的乙酰磺胺酸离子可以通过不同的供体原子与锌离子形成配位键，增大锌沉积的成核过电位，细化晶粒，更好地抑制锌枝晶生长。另外，乙酰磺胺酸离子在电化学循环过程中可被分解成富含硫化锌的固体电解质界面膜，能进一步抑制枝晶生长和副反应。
[0034]实施例2：
[0035]本实施例和实施例1基本相同，所不同的是对乙酰磺胺酸钾的添加量进行了优化。乙酰磺胺酸钾在电解液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种构造有机阴离子富集界面抑制锌枝晶的电解液，其特征在于：由添加剂、可溶性锌盐及去离子水组成，所述添加剂在锌表面构建一个有机阴离子富集界面；所述可溶性锌盐为硫酸锌，化学式为ZnSO4·
7H2O，摩尔浓度为1～3mol；所述添加剂为乙酰磺胺酸钾，化学式为C4H4KNO4S，在水系锌离子电池电解液中的摩尔浓度为1～100mmol/L。2.如权利要求1所述一种构造有机阴离子富集界面抑制锌枝晶的电解液，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昕，管秋龙，彭炯，李江欢，柴鹏昊，李昱辰，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：