【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于锌离子电池，具体涉及一种稳定正负极的锌离子电池水/有机杂化电解液及其应用。
技术介绍
1、大规模部署可再生清洁能源是应对这些难题从而实现可持续发展的必然选择。这就要求人们大力开发与新型可再生能源配套的高效储能系统。锌离子电池由于锌负极氧化还原电位低(与标准氢电极相比为-0.762v)、理论容量高(820mah g-1，5855mah cm-3)、成本低、水系电解液本质安全、环境友好等特点，是一种很有前途的大规模储能设备。
2、近年来锌离子电池取得了很大的发展。不幸的是，锌离子电池仍然存在一些缺陷，极大地阻碍了其大规模应用。在具有姜-特勒效应的锰基材料以及弱酸性水系电解液的钒基材料中，容易发生过渡金属离子的溶解。水作为溶剂具有较高的活性，容易造成容量大幅衰退。溶解的过渡金属离子还可能会参与副产物的形成，沉积在阴极表面，阻断离子传输路径。此外，锌金属负极表面面临着严重的副反应，包括枝晶生长、析氢、腐蚀和钝化，导致库伦效率降低、容量衰减和电池故障。需要采取措施缓解上述问题，提高正负极界面稳定性，改善锌离子电池的电化学性能。可以通过引入有机溶剂，如磷酸三甲酯、乙二醇、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯来构建水/有机杂化电解液。尽管这些杂化电解液可以缓解锌离子电池存在的一部分问题，但这些有机溶剂的引入往往会增大电极-电解液界面处锌离子的去溶剂化能垒，减慢离子传输动力学，增大电荷转移电阻，从而影响锌离子电池的倍率性能。
3、因此，寻找既能稳定锌离子电池正负极，又不会增大去溶剂化能垒，影响电池倍率性能的水/有机杂化电
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术公开了一种锌离子电池水/有机杂化电解液，该电解液可以有效解决锌离子电池中正极活性材料溶解、有副产物生成以及负极形成枝晶、易析氢和腐蚀的问题，从而可以显著提高锌离子电池的比容量、倍率性能和循环寿命。
2、具体技术方案如下：
3、一种锌离子电池水/有机杂化电解液，包括锌盐和溶剂，所述溶剂包括水和双环醚类溶剂；
4、所述双环醚类溶剂的结构通式如下式(ⅰ)所示：
5、
6、式中，r和r′独立地选自氢原子–h、饱和烷基碳链–cnh2n+1，n选自1～3的自然数、硝基–no2或酯基–ooccmh2m+1，m选自1～3的自然数。
7、本专利技术公开了一种水/有机杂化电解液，首次采用双环醚类溶剂与水的混合物作为溶剂，经试验发现，双环醚类溶剂的加入可以稳定锌离子电池的正负极，同时不会增大去溶剂化能垒，因此可以同时提高锌离子电池的倍率性能和循环寿命。
8、相对于添加其它种类有机溶剂(如碳酸二甲酯、四乙二醇二甲醚、六甲基磷酰三胺等)组成的水/有机杂化电解液，本专利技术公开的电解液组装的锌离子电池具有更高的比容量，展现出更优异的倍率性能。
9、本专利技术中双环醚类溶剂主要利用双环醚骨架上的醚键作为活性吸附位点和氢键受体通过在电极界面优先吸附和在体相中和水形成强氢键抑制水的活性，起到抑制正极的溶解、副产物生成以及锌负极的析氢和腐蚀的功能。同时，由于骨架的大空间位阻，在减少锌离子溶剂化结构中结合水含量的同时还不会参与其溶剂化鞘层，从而降低去溶剂化能垒，加快离子传输动力学，减小电荷转移电阻，增大锌离子电池的比容量，提高倍率性能。因此，对取代基r与r′的选择没有特殊限制，可选自氢、烷基、硝基或酯基等常见取代基。
10、所述双环醚类溶剂选自异山梨醇二甲醚、异山梨醇、2-乙氧基异山梨醇、5-乙氧基异山梨醇、异山梨醇二乙醚、异山梨醇-2-醋酸酯、1,4:3,6-双脱水甘露醇中的一种或多种。
11、以所述溶剂的总体积计算，所述双环醚类溶剂的体积百分比为10～80％。经试验发现，当体积百分比过低时，组装的锌离子电池的电化学性能改善不明显；而当体积百分比过高时，电解液粘度过大，会影响体系中锌离子的传输，组装的锌离子电池的电化学性能改善效果不佳。
12、优选的，所述双环醚类溶剂的体积百分比为15～50％；进一步优选为20～50％；更优选为20％。
13、随着对溶剂中双环醚类溶剂的体积百分比的不断优选，最终组装的锌离子电池的电化学性能得到进一步提升。
14、本专利技术中对于锌盐的种类没有特殊要求，可以选自本领域的常规种类，如三氟甲烷磺酸锌、双三氟甲基磺酰亚胺锌、四氟硼酸锌、六氟磷酸锌、硫酸锌、氯化锌、醋酸锌、硝酸锌、双乙二酸硼酸锌中的一种或几种。
15、优选的，水/有机杂化电解液中锌盐浓度为0.1～5.0mol l–1；进一步优选为1～2mol l–1。
16、本专利技术还公开了一种锌离子电池，包括正极、隔膜、锌负极和电解液，所述电解液选自所述的水/有机杂化电解液。
17、所述正极选用嵌入型电极材料，具体选自锰基材料和/或钒基材料；
18、所述锰基材料选自mno2、limn2o4、ca0.28mno2中的一种或多种；
19、所述钒基材料选自v2o5、v2o5·nh2o、vo2、v2o3、zn0.25v2o5·nh2o、kv3o8、zn2v2o7中的一种或多种；
20、所述隔膜选自玻璃纤维膜、pp膜、pe膜中的一种或多种；
21、所述锌负极选自锌箔、锌粉、锌合金箔中的一种或多种。
22、优选的：
23、所述正极选自v2o5·nh2o或zn0.25v2o5·nh2o。
24、经试验发现，采用本专利技术公开的电解液组装的锌离子电池，兼具高比容量、高倍率性能和优异的循环稳定性。
25、与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
26、1、本专利技术公开的水/有机杂化电解液中的双环醚类溶剂分子中具有强电负性的o原子，可以在电极-电解液界面上优先吸附，物理隔绝水分子，提高正、负极界面稳定性，抑制副反应发生。
27、2、本专利技术公开的水/有机杂化电解液中的双环醚类溶剂分子中具有多个醚键可以作为氢键受体和水分子形成强氢键，破坏水分子间最初的氢键网络，抑制自由水的活性，抑制正极的溶解以及锌负极的析氢和腐蚀。
28、3、本专利技术公开的水/有机杂化电解液可以提高锌的成核过电位，实现锌的均匀沉积，抑制锌枝晶的产生。
29、4、本专利技术公开的水/有机杂化电解液中的双环醚类溶剂分子具有大的空间位阻和稳定的空间结构，在减少锌离子溶剂化结构中结合水含量的同时还不会参与其溶剂化鞘层，从而降低去溶剂化能垒，加快离子传输动力学，减小电荷转移电阻。
30、5、将本专利技术公开的水/有机杂化电解液应用于锌离子电池时，可以有效解决锌离子电池面临的正极材料溶解、副产物生成以及负极枝晶生长、易析氢、腐蚀和钝化的问题，从而可以提高锌离子电池的比容量、倍率性能和循环稳定性，具有良好的应用前景。
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1.一种锌离子电池水/有机杂化电解液，包括锌盐和溶剂，其特征在于，所述溶剂包括水和双环醚类溶剂；
2.根据权利要求1所述的锌离子电池水/有机杂化电解液，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的锌离子电池水/有机杂化电解液，其特征在于，以所述溶剂的总体积计算，所述双环醚类溶剂的体积百分比为10～80％。
4.根据权利要求1所述的锌离子电池水/有机杂化电解液，其特征在于，以所述溶剂的总体积计算，所述双环醚类溶剂的体积百分比为15～50％。
5.根据权利要求1所述的锌离子电池水/有机杂化电解液，其特征在于，以所述溶剂的总体积计算，所述双环醚类溶剂的体积百分比为20～50％。
6.根据权利要求1所述的锌离子电池水/有机杂化电解液，其特征在于，水/有机杂化电解液中锌盐浓度为0.1～5.0mol L–1。
7.根据权利要求1所述的锌离子电池水/有机杂化电解液，其特征在于，水/有机杂化电解液中锌盐浓度为1～2mol L–1。
8.一种锌离子电池，包括正极、隔膜、锌负极和电解液，其特征在于，所述电解液选自如权利要求
9.根据权利要求8所述的锌离子电池，其特征在于：
10.根据权利要求9所述的锌离子电池，其特征在于：
...【技术特征摘要】
1.一种锌离子电池水/有机杂化电解液，包括锌盐和溶剂，其特征在于，所述溶剂包括水和双环醚类溶剂；
2.根据权利要求1所述的锌离子电池水/有机杂化电解液，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的锌离子电池水/有机杂化电解液，其特征在于，以所述溶剂的总体积计算，所述双环醚类溶剂的体积百分比为10～80％。
4.根据权利要求1所述的锌离子电池水/有机杂化电解液，其特征在于，以所述溶剂的总体积计算，所述双环醚类溶剂的体积百分比为15～50％。
5.根据权利要求1所述的锌离子电池水/有机杂化电解液，其特征在于，以所述溶剂的总体积计算，所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：陆盈盈，钟威，程豪，叶志镇，黄靖云，汪洋，
申请(专利权)人：浙江大学温州研究院，
类型：发明
国别省市：
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