一种高性能的锌基水系电解液及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种高性能的锌基水系电解液及其应用。本发明专利技术电解液包括水、锌盐和纤维素纳米晶。本发明专利技术的锌基水系电解液具有无毒环保、安全性高、添加剂成本低的特点，将其用于电池和电容器后，能够引导锌均匀沉积、抑制锌枝晶生长和阻碍副反应的发生，极大的提高了电池和电容的充放电效率和循环稳定性。和电容的充放电效率和循环稳定性。和电容的充放电效率和循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能的锌基水系电解液及其应用


[0001]本专利技术涉及一种电解液及其应用，特别是一种高性能的锌基水系电解液及其应用。

技术介绍

[0002]相对于锂金属，锌金属具有储量丰富、成本低、无毒且易于加工的特点，以及锌金属在水系储能体系具有高的理论比容量、低的电化学氧化还原电位的优势。这使得水系锌基储能器件在众多的电化学储能体系中脱颖而出，在大规模分布式储能、智能设备、可穿戴产品等领域具有广阔的应用前景，被视为是最有可能成为锂离子电池的候选体系。
[0003]然而，锌金属电极在长期电化学反应中，受传统水系锌盐电解液中锌离子不均匀沉积和副反应的限制，导致水系锌基储能器件在充放电过程中库伦效率降低、锌利用率下降、容量衰减过快；甚至引发器件短路和膨胀破裂；这严重阻碍了水系锌基储能器件的大规模发展和多功能商业化应用。
[0004]为了解决锌离子不均匀沉积和副反应这一关键科学问题，研究人员采取了各种策略，例如调整电极结构、优化隔膜设计、构筑界面保护等。然而，这些策略难以有效缓解锌在沉积/剥离过程中的不均匀沉积且制备工艺复杂、技术要求高，难以实现工业化应用。相对地，从实际应用的角度出发，通过在电解液中引入高性能添加剂是一种简单、高效、低成本且更加容易实现的抑制锌离子不均匀沉积和副反应的方法，是解决锌金属电极界面问题的一种关键技术方法。
[0005]但目前众多电解液添加剂存在价格昂贵、易燃、有毒等难题，且在循环过程中，即使增强了锌金属电极界面的稳定性，但往往伴随着储能体系内阻的增大，难以实现长期大电流充放电，限制了其在大规模应用。例如：
[0006]文献Hexamethylenetetramine additive with zincophilic head and hydrophobictail for realizing ultra
‑
stable Zn anode，Xingxing Gu等中报道，通过添加具有亲锌端和疏水端的六亚甲基四胺作为添加剂，解决了锌阳极的稳定性问题，但六亚甲基四胺本身具有低毒性，且受热会分解出有毒的氧化氮气体，对本质安全的水系电解液造成安全性急剧降低的风险。
[0007]湖北大学王浩发表的文章“疏锌电解质实现高度可逆的锌离子电池”中报道，通过将琥珀腈(SN)分子引入到电解质中来改变表面自由能的方法，以构建疏锌电解质。本质上疏锌的电解质可以降低锌金属对电解质的亲和力，防止界面水引起的析氢反应和腐蚀的发生。因此，与传统电解质(2MZnSO4)相比，SN电解质(2MZnSO4+0.5gL
‑1SN)不仅减少了Zn金属的腐蚀，而且改变了羟基硫酸锌(ZHS)的生长趋势，并获得了由水平堆叠的ZHS形成的平坦、高Zn
2+
通量的SEI(H
‑
SEI)。与常见的垂直生长的ZHS形成SEI(V
‑
SEI)相比，H
‑
SEI防止了Zn的进一步腐蚀，并抑制了枝晶的生长。但该添加剂琥珀腈(SN)对环境有危害，具有一定的毒害性。
[0008]北大邵元龙研究员&苏大程涛教授发表的文章“用高供体添加剂调节内亥姆霍兹
平面以实现水系锌离子电池中高效的阳极可逆性”中指出，水系锌离子电池(AZIBs)的性能高度依赖于内亥姆霍兹平面(IHP)化学。臭名昭著的包含析氢(HER)和Zn枝晶的寄生反应均源于活性IHP内丰富的游离H2O和随机Zn沉积。文章中报告了一种通用的高供体数(DN)添加剂吡啶(Py)，添加量仅为1vol.％(Py
‑
to
‑
H2O体积比)，用于调节IHP内的分子分布。但该添加剂吡啶本身是一种有毒物质。
[0009]深圳大学米宏伟课题组发表的文章“磷酸三甲酯(TMP)调控锌离子溶剂化结构实现宽温域的锌离子储能”中指出，通过加入磷酸三甲酯(TMP)调节锌离子溶剂化结构的策略，该方法成功抑制负极枝晶、副反应的发生，同时抑制正极活性材料的溶解，提高了锌离子电池的整体性能。但是，其中的添加剂磷酸三甲酯(TMP)仍然是一种有毒且易燃的有机物质。
[0010]纤维素纳米晶是从天然纤维中提取出的一种纳米级的纤维素，具有良好的生物相容性、高安全性、低成本等优点。虽然现目前以后报道将纳米纤维素用于锌基水凝胶电解质中，用于抑制枝晶生长，但其效果并不理想，如文献Nanocellulose
‑
Carboxymethylcellulose Electrolyte for Stable,High
‑
Rate Zinc
‑
Ion Batteries，Lin Xu等中报道，通过制备纳米纤维素
‑
羧甲基纤维素(CMC)水凝胶电解质极大的提高了循环性能和较高的Zn
2+
电导率，但其电流密度为50mA cm
‑2时的面积容量为仅为4mAh cm
‑2。而将纤维素纳米晶用于锌基水系电解液，用以解决锌基水系电解液中存在的上述的技术问题，目前未见报道。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的在于，提供一种高性能的锌基水系电解液及其应用。本专利技术的锌基水系电解液具有无毒环保、安全性高、添加剂成本低的特点，将其用于电池和电容后，能够引导锌均匀沉积、抑制锌枝晶生长和阻碍副反应的发生，极大的提高了电池和电容的充放电效率和循环稳定性。
[0012]本专利技术的技术方案：一种高性能的锌基水系电解液，包括水、锌盐和纤维素纳米晶。
[0013]前述的高性能的锌基水系电解液，所述电解液中，锌盐的浓度为0.5
‑
15mol/L。
[0014]前述的高性能的锌基水系电解液，所述电解液中，锌盐的浓度为3
‑
8mol/L。
[0015]前述的高性能的锌基水系电解液，所述电解液中，纤维素纳米晶与锌盐的质量比为0.1:100
‑
15:100。
[0016]前述的高性能的锌基水系电解液，所述电解液中，纤维素纳米晶与锌盐的质量比为5:100
‑
10:100。
[0017]前述的高性能的锌基水系电解液，所述锌盐为硫酸锌、三氟甲烷磺酸锌、硝酸锌、氯化锌或醋酸锌中的一种或任意多种的任意比组合物。
[0018]一种根据前述的高性能的锌基水系电解液在锌离子电池中的应用。
[0019]一种根据前述的高性能的锌基水系电解液在锌离子电容器中的应用。
[0020]一种包含前述的高性能的锌基水系电解液的锌离子电池。
[0021]一种包含前述的高性能的锌基水系电解液的锌离子电容器。
[0022]本专利技术的有益效果
[0023]1、本专利技术提供的电解液通过添加剂纤维素纳米晶，其含大量羟基，能与水分子之间形成大量的氢键，破坏水合锌离子的溶剂化壳层，减少活性水分子的数量，能有效减少副反应和促进锌离子的均匀沉积。这从根本上破坏了沉积过程中的“尖端效应”，抑制了枝晶的形成和副本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能的锌基水系电解液，其特征在于：包括水、锌盐和纤维素纳米晶。2.根据权利要求1所述的高性能的锌基水系电解液，其特征在于：所述电解液中，锌盐的浓度为0.5
‑
15mol/L。3.根据权利要求2所述的高性能的锌基水系电解液，其特征在于：所述电解液中，锌盐的浓度为3
‑
8mol/L。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的高性能的锌基水系电解液，其特征在于：所述电解液中，纤维素纳米晶与锌盐的质量比为0.1:100
‑
15:100。5.根据权利要求4所述的高性能的锌基水系电解液，其特征在于：所述电解液中，纤维素纳米晶与锌盐的质量比为5...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄俊，吴庆，谢海波，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：