一种同时保护正负极的水系锌离子电池电解液及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种同时保护正负极的水系锌离子电池电解液及其应用，属于锌离子电池技术领域。所述电解液是由磷酸酯类溶剂、Zn(CF2SO3)2以及水配制而成的混合溶液，磷酸酯类溶剂与水的体积比为1:2～1:10，混合溶液中锌离子的浓度为0.2～5mol/L，通过向电解液中引入磷酸酯类溶剂能够有效解决现有锌离子电池中负极枝晶生长、易析氢以及正极死锌沉积的问题，从而可以提高锌离子电池的比容量、循环性能和安全性。能和安全性。能和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种同时保护正负极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同时保护正负极的水系锌离子电池电解液及其应用，属于锌离子电池


技术介绍

[0002]随着社会的不断发展，高安全、稳定、低成本、环境友好型电化学储能系统受到人们越来越多的关注。水系锌离子电池具备很多优势，锌金属的理论容量为820mAh
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‑1，每个锌离子可以转移两个电子，这使得水系锌离子电池的功率密度和能量密度高，并且在水溶液中具有可逆性。此外，水系锌离子电池使用水系电解液，资源丰富易得，对生产环境要求低，回收处理容易。而且由于所使用的水系电解液的离子电导率比有机电解液高出两个数量级，离子导电性更好，使得水系锌离子电池倍率性能也更高，因此水系锌离子电池成为发展储能设备的热门选择。在锌离子存储的过程中，正极材料应能够提供较高的容量和可逆的结构；负极材料通常采用商业锌，由于锌具有高理论容量、低电位、高丰度、低毒性和更加安全性而被认为是水系电池的理想负极材料。因此为了获得更高比能的水系锌离子电池，在构建水系锌离子电池兼顾正负极材料的优化是相当重要的。
[0003]目前，锌离子电池正极已经有了广泛的研究和深入的发展，相比之下，水系锌离子电池负极材料的研究仍然还不够深入。特别是在锌离子电池的循环过程中，由于电流密度分布不均以及界面异质结构，造成了锌金属的不均匀形核和枝晶生长。此外，由于锌金属的还原电位低于水的分解电位，因此，在锌金属的沉积过程中，往往伴随着氢气的释放。即使在中性或者微酸电解液下，氢气产生仍会在界面处产生局部高浓的OH
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，这些碱性阴离子会在负极表面同锌金属发生钝化反应，生成不导电的副产物，抑制了锌离子的传输，消耗了活性材料和电解液；同时，负极失效产生的“死锌”会随电解液迁移至正极界面，形成钝化物，造成离子传输速率降低，界面阻抗增大，电极性能迅速衰减。目前，正负极交叉影响造成的电池稳定变化受到较少的关注，电极界面稳定性在水系锌离子电池的应用亟需进一步深化研究。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供一种同时保护正负极的水系锌离子电池电解液及其应用，采用含有磷酸酯类溶剂和Zn(CF2SO3)2的混合水溶液作为电解液，可以有效解决现有锌离子电池中负极枝晶生长、易析氢以及正极死锌沉积的问题，从而可以提高锌离子电池的比容量、循环性能和安全性。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。
[0006]一种同时保护正负极的水系锌离子电池电解液，由磷酸酯类溶剂、Zn(CF2SO3)2以及水配制而成的混合溶液；
[0007]其中，磷酸酯类溶剂与水的体积比为1:2～1:10，混合溶液中锌离子的浓度为0.2～5mol/L。
[0008]进一步地，磷酸酯类溶剂为磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三丙酯和磷酸三异丁酯中的至少一种。
[0009]一种同时保护正负极的水系锌离子电池电解液的应用，所述电解液与正极、负极以及隔膜组装成水系锌离子电池；
[0010]其中，正极中的活性材料为含锂正极材料(如LiMn2O4、LiFePO4、LiCoO2)、钒基正极材料(如V2O5或VO2)或者MnO2；负极为含锌金属材料，优选锌箔或锌合金箔；隔膜优选玻璃纤维膜、PP膜(聚丙烯膜)或PE膜(聚乙烯膜)。
[0011]有益效果：
[0012](1)使用Zn(CF2SO3)2作为电解质时可以提高电池的库伦效率，然而在电池工作过程中形成的微小球形“死锌”会游离到正极表面，减小电池的容量，而在电解液中添加磷酸酯类溶剂后，可以在负极形成保护膜，减小“死锌”的产生并进一步提升库伦效率，同时在正极也可以形成保护膜，减小“死锌”的粘附。另外，磷酸酯类溶剂在水系电解液中具有弱分解性，可以在界面处形成富含磷酸锌的保护膜，同时促进原有Zn(CF2SO3)2水系电解液中无法稳定存在的氟化锌界面膜的重新生成，这种磷酸锌和氟化锌复合的界面膜可以有效调控锌的沉积形貌，提高沉积均一性。
[0013](2)磷酸酯类溶剂在水系电解液中含量较小时，无法有效调控锌的沉积形貌，而过量酯类溶剂的添加会减小电解液的离子导电率，因此本专利技术限定了磷酸酯类溶剂与水的体积比为1:2～1:10。
[0014](3)本专利技术所述电解液应用于水系锌离子电池时，可以有效解决现有锌离子电池中负极枝晶生长、易析氢以及正极死锌沉积的问题，从而可以提高锌离子电池的比容量、循环性能和安全性，具有良好的应用前景。
附图说明
[0015]图1是实施例1中组装的Zn/Zn对电池在电流密度为1mA/cm2以及容量为1mAh/cm2时的长循环性能图。
[0016]图2是实施例1与对比例1中组装的Zn/Cu对电池在电流密度为1mA/cm2以及容量为1mAh/cm2时的库伦效率对比图。
[0017]图3是实施例1与对比例1中组装的Zn/Cu对电池在电流密度为5mA/cm2以及容量为1mAh/cm2时的库伦效率对比图。
[0018]图4是实施例1中组装的Zn/Zn对电池在电流密度为1mA/cm2以及容量为1mAh/cm2下循环20周后电极的扫描电子显微镜(SEM)图。
[0019]图5是实施例1与对比例1中组装的全电池在0.5C倍率下循环180周的长循环性能对比图。
[0020]图6是实施例1中组装的全电池在0.5C倍率下循环180周后的正极的扫描电子显微镜图。
[0021]图7是对比例1中组装的Zn/Zn对电池在电流密度为1mA/cm2以及容量为1mAh/cm2时的长循环性能图。
[0022]图8是对比例1中组装的Zn/Zn对电池在循环20周后电极的扫描电子显微镜图。
[0023]图9是对比例1中组装的全电池在0.5C倍率下循环180周的正极的扫描电子显微镜
图。
具体实施方式
[0024]下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
[0025]以下实施例中：
[0026]SEM表征：样品的微观形貌采用场发射扫描电子显微镜(FEI Quanta 600)观测，加速电压25kV；
[0027]电化学性能测试：利用Land系统对所组装的CR 2032电池进行电化学性能测试，并记录测试数据。
[0028]实施例1
[0029]将超纯水与磷酸三甲酯以1：5的体积比混合，之后加入Zn(CF2SO3)2并混合均匀，得到Zn(CF2SO3)2浓度为3mol/L的混合溶液，即获得能同时保护正负极的水系锌离子电池电解液。
[0030]将本实施例制备的混合溶液作为电解液，以纯锌箔作为正负极，玻璃纤维作为隔膜，组装成CR 2032型Zn/Zn对电池，之后进行电化学性能测试。图1为一组Zn/Zn对电池的长循环性能测试结果图，从图中可以看出，在1mA/cm2的电流密度和1mAh/cm2的沉积/脱出容量下，该电解液呈现了极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同时保护正负极的水系锌离子电池电解液，其特征在于：由磷酸酯类溶剂、Zn(CF2SO3)2以及水配制而成的混合溶液；其中，磷酸酯类溶剂与水的体积比为1:2～1:10，混合溶液中锌离子的浓度为0.2～5mol/L。2.根据权利要求1所述的一种同时保护正负极的水系锌离子电池电解液，其特征在于：磷酸酯类溶剂为磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三丙酯和磷酸三异丁酯中的至少一种。3.一种如权利要求1或2所述的同时保护正负极的水系锌离子电池电解液的应用，其特征在于：所述电解液与正极、负极以及隔膜组装成水系锌离子电池；其...

【专利技术属性】
技术研发人员：周佳辉，杨可晴，苏岳锋，颉琛，高雨晴，潘晓钢，
申请(专利权)人：中能鑫储北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：