本發(fā)明涉及電化學儲能領域，具體涉及長循環(huán)抗腐蝕水系鋅離子電池的電解質(zhì)的制備和電池的應用。

背景技術：

1、隨著智能電子設備、電動汽車、大規(guī)模儲能等領域的發(fā)展，人們對儲能設備的能量密度、快速充放電性能和安全性能要求越來越高。作為一種成本效益高且安全性出眾的能源裝置，鋅資源豐富、成本低，安全性高以及具有高理論比容量（820?mah?g-1），因此，鋅離子電池具有更大的發(fā)展前景，有望在大規(guī)模儲能設備中迎來廣泛應用。

2、然而，鋅金屬陽極存在嚴重的枝晶生長、鋅在溫和電解質(zhì)中的腐蝕以及析氫反應（her）等固有問題，嚴重影響了鋅金屬電池的庫侖效率和循環(huán)穩(wěn)定性。據(jù)報道，抑制鋅枝晶生長和腐蝕的策略多種多樣，包括表面涂層、隔膜改性、功能化的凝膠電解質(zhì)、陽極結構設計和引入電解質(zhì)添加劑。在傳統(tǒng)鋅鹽中引入合適的添加劑，可以改變鋅離子的溶劑鞘結構，是穩(wěn)定金屬鋅化學性質(zhì)的一種簡單有效的方法。一些添加劑如硫脲、葡萄糖酸鋅、谷氨酸鈉、木質(zhì)素和磷酸二氫銨等已被廣泛報道。構建可持續(xù)且穩(wěn)定的鋅/電解質(zhì)界面、調(diào)節(jié)zn2+溶劑化結構、均勻化zn2+通量、降低水活性、抑制寄生反應的產(chǎn)生是提高金屬鋅陽極性能的有效策略，而直接調(diào)節(jié)界面ph環(huán)境尚未得到應有的重視。

3、鋅離子被六個水分子包圍，在鋅沉積過程中，活性水分子受到電子刺激，導致氫鍵減弱，從而形成oh-并增大界面ph值。有機溶劑比水分子對zn2+?的化學親和性更強，可以通過使用有機溶劑從界面中去除溶劑分子。為此，我們在znso4電解質(zhì)系統(tǒng)中引入了一種新型環(huán)保添加劑--d-半乳糖（d-gal）。其目的是通過ph值調(diào)節(jié)來提高鋅負極的性能。得益于d-gal?層的保護，zn||zn對稱電池在電流密度為1?ma?cm-2的條件下可穩(wěn)定循環(huán)2600小時，而znxv2o5-h2o?(zvo)?全電池在1?a?g-1的條件下可穩(wěn)定工作超過2000圈。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明主要適用于長循環(huán)高穩(wěn)定性的水系鋅離子電池的電解質(zhì)的制備，d-gal的引入可以擴大zn2?的溶劑化殼層，減少了zn2?和h2o之間的相互作用，平衡鋅陽極的表面ph值，有效提高了鋅負極的穩(wěn)定性。通過在鋅鹽中加入部分d-gal，實現(xiàn)zn||zn對稱電池2600小時的穩(wěn)定循環(huán)，znxv2o5-h2o?(zvo)?全電池在1?a?g-1的條件下可穩(wěn)定工作超過2000圈。

2、為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用了以下的技術方案：

3、水系鋅離子電池電解液，主要由鋅鹽、有機溶劑和水組成，所述有機溶劑為d-gal的摩爾濃度為0~0.5?mol/l。

4、基于上述方案，優(yōu)選地，所述的鋅鹽為硫酸鋅、氯化鋅、硝酸鋅、乙酸鋅、磷酸鋅、三

5、氟甲基磺酸鋅、雙三氟甲基磺酰亞胺鋅、四氟硼酸鋅、六氟磷酸鋅、雙乙二酸硼酸鋅中的任

6、意一種或至少兩種的組合，進一步優(yōu)選為硫酸鋅。

7、基于上述方案，有機溶劑添加劑為單糖。

8、基于上述方案，優(yōu)選地，所述的的單糖為，葡萄糖、果糖和半乳糖中的一種或至少兩種的組合，進一步優(yōu)選為d-半乳糖。

9、所述電解質(zhì)鹽的濃度為0?m～15?m，其中m為質(zhì)量濃度，也即是電解質(zhì)鹽的摩爾數(shù)和溶劑質(zhì)量的比例m：mol?kg-1。

10、基于上述方案，優(yōu)選地，鋅鹽濃度為0.1-2.5?mol?kg-1（m），進一步優(yōu)選為2?m。

11、基于上述方案，優(yōu)選地，d-gal在所述混合電解液中的含量為0-0.5?m，所述低溫水系離子電池電解液具體為d-gal-10，d-gal-50，d-gal-0.2，d-gal-0.5。

12、基于上述方案，優(yōu)選地，所述的鋅離子電池由正極、膜和鋅負極材料構成。其中正極選用鋅離子嵌入脫出型材料，所述錳基材料為mno2、ca0.28mno2中的一種或兩種；所述釩基材料為v2o5、v2o3、zn2v2o7及kv3o8中的一種或一種以上；所述膜為玻璃纖維膜或celgard膜；所述鋅負極為鋅箔或鋅粉。

13、本發(fā)明同時提供了水系離子電池電解液在水系離子電池中的應用。

14、創(chuàng)新點

15、以d-gal添加的電解液作為功能性電解質(zhì)，調(diào)節(jié)zn2+?溶劑化結構，此外，d-gal在zn負極上的化學吸附（-0.98?ev）可控制zn2+通量，并在原子水平上形成物理屏障，將金屬zn陽極與水環(huán)境隔開，隔離h2o接觸并錨定zn2+沉積。較高的homo能級使d-gal在鋅陽極表面優(yōu)先分解成乳酸，從而穩(wěn)定了鋅陽極表面的ph值。實現(xiàn)zn||zn對稱電池2600小時的穩(wěn)定循環(huán)，znxv2o5-h2o?(zvo)?全電池在1?a?g-1?的條件下可穩(wěn)定工作超過?2000?圈。

16、本發(fā)明的有益效果：

17、本發(fā)明創(chuàng)新型的研究了在zn陽極表層的znso4電解液中添加d-gal以穩(wěn)定?ph?值的方法。d-gal的加入改善了zn2+的溶劑化結構，實現(xiàn)循環(huán)中界面ph的穩(wěn)定，有利于zn的均勻沉積，降低界面能，調(diào)節(jié)均勻鍍鋅過程。d-gal的加入不僅實現(xiàn)了高度可逆的鍍鋅/剝離行為，在zn||cu半電池中的ce高達99.7%，而且經(jīng)過2000次循環(huán)后，zn||zvo電池在1.0?a?g-1的條件下仍有62.78%的容量保持率。

技術特征：

1.水系鋅離子電池電解液，其特征在于，所述電解液包括鋅鹽和溶劑，所述溶劑包括水、和d-gal。

2.根據(jù)權利要求1所述的電解液，其特征在于，所述d-gal占溶液的摩爾濃度為0-0.5m。

3.根據(jù)權利要求1所述的電解液，其特征在于，所述鋅鹽為硫酸鋅、氯化鋅、硝酸鋅、乙酸鋅、磷酸鋅、三氟甲基磺酸鋅、雙三氟甲基磺酰亞胺鋅、四氟硼酸鋅、六氟磷酸鋅、雙乙二酸硼酸鋅中的任意一種或至少兩種的組合。

4.根據(jù)權利要求3所述的電解液，其特征在于，所述鋅鹽為硫酸鋅。

5.根據(jù)權利要求1所述的電解液，其特征在于，所述鋅鹽在電解液中的濃度為2?mol/l。

6.一種水系鋅離子電池，其特征在于，所述水系鋅離子電池包括權利要求1～5任一所述的電解液。

7.根據(jù)權利要求6所述的鋅離子電池，其特征在于，所述鋅離子電池包括正極、膜和鋅負極；所述正極選用鋅離子嵌入脫出型材料，所述鋅離子嵌入脫出型材料為錳基材料、釩基材料的一種或它們的組合；所述錳基材料為mno2、ca0.28mno2中的一種或兩種；所述釩基材料為v2o5、v2o3、zn2v2o7及kv3o8中的一種或一種以上；所述膜為玻璃纖維膜或celgard膜；所述鋅負極為鋅箔或鋅粉。

8.根據(jù)權利要求7所述的鋅離子電池，其特征在于，所述正極為znxv2o5·h2o?(zvo)和vo2-d；所述膜為玻璃纖維膜；所述鋅負極為鋅箔。

技術總結
本發(fā)明公開了一種功能性電解質(zhì)，所述電解液包括鋅鹽和溶劑，所述溶劑包括水、D?半乳糖(D?Gal)。所述D?Gal占溶液的摩爾濃度為0?0.5M。本發(fā)明通過添加適量的D?Gal構成混合電解液，穩(wěn)定了負極界面的pH，有效提高了鋅負極的穩(wěn)定性，電池庫倫效率高且成本低廉。在1.0mA?cm<supgt;?2</supgt;和1.0mAh?cm<supgt;?2</supgt;條件下，Zn||Zn對稱電池的循環(huán)壽命可達2600小時。即使在10mA?cm<supgt;?2</supgt;的高電流密度下，也能穩(wěn)定運行900小時。當與ZVO陰極配對時，Zn||ZVO電池在1.0A?g<supgt;?1</supgt;的條件下經(jīng)過1500次循環(huán)后，容量保持率穩(wěn)定在62.78％。

技術研發(fā)人員：謝雪芳,宋雯雯
受保護的技術使用者：新疆大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/2