一种含小分子二元醇添加剂的水系锌离子电池电解液及其应用制造技术

本发明专利技术公开一种含小分子二元醇添加剂的水系锌离子电池电解液及其应用，优化水系锌离子电池电化学性能。其中，所述电解液添加剂为螯合剂1，3

【技术实现步骤摘要】
一种含小分子二元醇添加剂的水系锌离子电池电解液及其应用


[0001]本专利技术涉及一种含小分子二元醇添加剂的水系锌离子电池电解液及其应用，属于水系锌离子电池电解液改性领域。

技术介绍

[0002]作为一种重要的水系可充电电池，水系锌离子电池(ZIBs)不仅拥有比非水系电池更高的离子电导率，还具有成本低廉、安全性高、环境友好等特点，因此受到产业界和学术界的密切关注。
[0003]然而，ZIBs以水为电解质也给其带来一些问题与挑战。例如，水系电解液的电化学窗口(ESW)受水分子分解反应的控制，导致传统水系电解液的ESW一般不超过2.0V。这种狭窄的ESW抑制了ZIBs工作输出电压，导致其能量密度不足。其次，水系电解液中活性水分子与电极之间的不良反应会导致一系列的副反应，包括腐蚀、表面钝化和H2析出等。此外，在水系电解液中，Zn
2+
和H2O分子形成稳定的溶剂化离子[Zn(H2O)6]2+
，其溶剂化壳层结构具有高的能垒，在充电状态下电荷转移电阻高、动力学缓慢。并且被H2O分子包围的Zn
2+
离子难以有效接触反应界面，[Zn(H2O)6]2+
必须发生脱溶才能参与后续反应。除上述因素之外，ZIBs还面临枝晶生长这一棘手的问题。具体来说，由于金属锌本身的粗糙度、电场的不均匀分布和浓差极化，锌离子从正极脱出向负极的沉积是不均匀的，Zn
2+
在金属表面沉积时不可避免地形成初始的表面突起，由于“尖端效应”，突起的部分表现出高电场强度，锌离子更倾向于在其尖端沉积，形成不规则的锌枝晶的进一步生长有可能刺穿隔膜，造成电池短路。ZIBs存在的上述问题大大降低了电池的库伦效率与循环性能，电池的商品化和大规模应用受到阻碍。
[0004]电解液添加剂作为一种低成本、简单有效、可大规模拓展的ZIBs性能优化改性策略，目前正受许多学者的关注。电解液添加剂的应用包括对电解液的性质进行改性，如提高电解液的离子电导率、电化学窗口等特性，并且对于锌负极，电解液添加剂可以屏蔽锌片表面突出位置的高电场，调节锌离子在界面上分布和沉积时的生长方向，抑制锌枝晶的野蛮生长与副反应的发生。然而，由于水系锌离子电池体系存在问题的复杂性，探索多功能性电解液添加剂以协同解决锌枝晶生长与副反应的问题，对于高性能水系锌离子电池的构筑尤为重要。

技术实现思路

[0005]针对水系锌离子电池锌负极普遍存在的不可控的锌枝晶生长、电极/电解液界面发生的析氢反应以及副产物碱式硫酸锌的生成等关键问题，本专利技术提供了一种含小分子二元醇添加剂的水系锌离子电池电解液及其应用。所述小分子二元醇添加剂为一种有机小分子1，3
‑
丙二醇。其中，1，3
‑
丙二醇可参与调控水合锌离子的溶剂化结构，降低锌配合物中的含水量，抑制了析氢反应(HER)和副产物碱式硫酸锌的生成；通过1，3
‑
丙二醇与锌离子的螯
合作用调控Zn
2+
二维扩散和成核过电位，细化锌成核晶粒，抑制枝晶生长。最终达到提高电池的库伦效率、延长电池的循环寿命的目的。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种用于水系锌离子电池电解液添加剂，所述电解液添加剂为1，3
‑
丙二醇(HOCH2CH2CH2OH)。
[0008]本专利技术同时提供了一种含小分子二元醇添加剂的水系锌离子电池电解液，所述电解液成分包括1，3
‑
丙二醇、可溶性锌盐以及去离子水。
[0009]进一步地，在所述电解液中，所述1，3
‑
丙二醇在电解液中的摩尔浓度范围为0.8～3.2mol/L。例如，在所述电解液中，所述1，3
‑
丙二醇在电解液中的摩尔浓度为0.8mol/L、0.9mol/L、1.0mol/L、1.1mol/L、1.2mol/L、1.3mol/L、1.4mol/L、1.5mol/L、1.7mol/L、1.8mol/L、1.9mol/L、2.0mol/L、2.1mol/L、2.2mol/L、2.3mol/L、2.4mol/L、2.5mol/L、2.6mol/L、2.7mol/L、2.8mol/L、.9mol/L、3.0mol/L、3.1mol/L或3.2mol/L。
[0010]进一步地，所述可溶性锌盐为硫酸锌和氯化锌中的一种或两种。
[0011]进一步地，在所述电解液中，所述可溶性锌盐的浓度为2mol/L。
[0012]本专利技术还提供了一种用于水系锌离子电池的电解液的应用，将上述的电解液与正极、负极以及隔膜进行匹配，组装成水系可充电锌离子电池。
[0013]进一步地，所述的水系锌离子电池使用的正极材料为商用五氧化二钒，负极为商用锌箔，电池隔膜为玻璃纤维隔膜。
[0014]本专利技术的技术方案具有的作用机制和优势在于：
[0015](1)本专利技术在电解液中引入小分子1，3
‑
丙二醇添加剂，其羟基取代溶剂化壳层中的部分的水分子，降低锌配合物中的含水量，降低了活性H2O分子的数目，极大地抑制了析氢反应和副产物碱式硫酸锌的生成。
[0016](2)本专利技术在电解液中引入小分子1，3
‑
丙二醇添加剂，通过1，3
‑
丙二醇与锌离子的螯合作用调控Zn
2+
二维扩散和成核过电位，细化锌沉积晶粒，抑制枝晶生长。
[0017](3)本专利技术所制备的电解液用于水系锌离子电池，能够抑制析氢反应与副反应，并协同抑制枝晶生长，促进平整、致密的锌沉积，从而显著提高Ti//Zn不对称电池的库伦效率、延长Zn//Zn对称电池以及V2O5//Zn全电池的循环寿命。
[0018](4)本专利技术所涉及的电解液添加剂1，3
‑
丙二醇安全、无毒，价格低廉，环境友好；所涉及的电解液制备工艺简单，易于推广使用。
附图说明
[0019]图1为Zn//Zn对称电池在实施例2和对比例1所配制电解液中的循环后锌负极表面扫描电镜对比图。如图所示，在5mA/cm
‑2、5mAh/cm
‑2的测试条件下循环100h后，使用2mol/LZnSO4电解液的对称电池锌负极呈现出明显凹凸不平的表面(图1a)，表明在对比电解液中锌的不规则沉积；在使用2mol/L ZnSO4+1.6mol/L 1，3
‑
丙二醇电解液情况下(图1b)，对称电池锌负极表面更加平整，说明1，3
‑
丙二醇添加剂对锌的均匀沉积具有促进作用。
[0020]图2为锌电极在实施例2和对比例1所配制电解液的电化学析氢反应(HER)曲线。结果表明，使用添加剂后析氢过电势发生了明显的负移，说明电解液添加剂的使用，对电解液析氢反应的抑制具有积极的作用。
[0021]图3为锌电极在实施例2和对比例1所配制电解液的计时电流曲线。如图所示，在
‑
150mV的恒定过电位下，硫酸锌溶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含小分子二元醇添加剂的水系锌离子电池电解液，其特征在于，所述电解液成分包括可溶性锌盐、去离子水以及添加剂1，3
‑
丙二醇。2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，在所述电解液中，所述1，3
‑
丙二醇在电解液中的摩尔浓度范围为0.8～3.2mol/L。3.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述水系锌离子电池电解液所用的可溶性锌盐为硫酸锌和氯化锌中的一种或两种。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄海舰，徐嘉伟，张卫新，苏建徽，
申请(专利权)人：合肥综合性国家科学中心能源研究院安徽省能源实验室，
类型：发明
国别省市：