本發(fā)明涉及新能源，尤其涉及一種水系鋅離子電池電解液及其制備方法和水系鋅離子電池。

背景技術(shù)：

1、在“碳達(dá)峰，碳中和”的時代背景，以及智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢下，發(fā)展高效的儲能裝置是必然趨勢。憑借其高安全性、低成本、易操作等多維優(yōu)勢，水系鋅離子電池被認(rèn)為是下一代新型電池技術(shù)。通常，水系鋅離子電池由金屬鋅為負(fù)極、鋅鹽水溶液為電解液、金屬氧化物等材料為正極等部件構(gòu)成。其中，金屬鋅因具有高理論比容量(820ma?h?g-1)、適宜的氧化還原電位(-0.76v相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極)、儲量豐富以及與水溶液良好的兼容性，使得水系鋅離子電池適合用于大規(guī)模儲能。

2、然而，金屬鋅負(fù)極在弱酸性的鋅鹽水溶液中存在嚴(yán)重的副反應(yīng)，包括但不限于產(chǎn)氫、表面腐蝕、鈍化以及堿式鋅鹽的產(chǎn)生。此外，鋅離子的不均勻沉積會帶來鋅枝晶的產(chǎn)生，產(chǎn)生嚴(yán)重的凸起而刺穿隔膜、最終導(dǎo)致整個器件的失效。同時，副反應(yīng)的發(fā)生與鋅枝晶的產(chǎn)生相輔相成、互相促進(jìn)，使得本征安全的水系鋅離子電池也面臨著產(chǎn)氣、電解液泄露等安全隱患。

3、通過原位/非原位方式在鋅負(fù)極表面構(gòu)筑電極/電解液界面層可以有效抑制副反應(yīng)以及鋅枝晶的產(chǎn)生，從而提升其循環(huán)穩(wěn)定性。眾多電極/電解液界面層的構(gòu)筑方法中，電解液工程具有簡單、易操作和高效等優(yōu)勢。然而，在現(xiàn)有技術(shù)中，許多添加劑的引入在構(gòu)筑電極/電解液界面層的同時，也會顯著影響電解液的特性，如溶劑化結(jié)構(gòu)、氫鍵與粘度增加。另外，較高濃度昂貴添加劑的使用，也會導(dǎo)致電解液成本的提高。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種水系鋅離子電池電解液及其制備方法和水系鋅離子電池。所述水系鋅離子電池電解液使得鋅離子的沉積更加均勻致密，且與水的副反應(yīng)顯著減少，實現(xiàn)了電解液體系的超長循環(huán)穩(wěn)定性。

2、為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明提供了一種水系鋅離子電池電解液，包括鄰苯二甲醛和鋅鹽。

4、所述鄰苯二甲醛沒有參與鋅離子的溶劑化結(jié)構(gòu)，不會改變電解液的性質(zhì)，僅僅是通過對鋅負(fù)極界面進(jìn)行改性以提高水系鋅離子電池電解液的綜合性能。并且鄰苯二甲醛價格較便宜，來源較廣泛。

5、本發(fā)明所述的水系鋅離子電池電解液在不明顯增加成本和改變電解液性質(zhì)的前提下，使用微量的添加劑使得所述電解液在鋅負(fù)極表面構(gòu)筑了穩(wěn)定的分子聚集型電極界面層(又稱為鋅負(fù)極opa富集界面)，從而誘導(dǎo)鋅離子的均勻致密沉積、抑制副反應(yīng)的發(fā)生，最終實現(xiàn)了所述的水系鋅離子電池電解液的超長循環(huán)穩(wěn)定性。

6、上述鄰苯二甲醛添加劑使得水系鋅離子電解液具有更高的腐蝕電位和更小的腐蝕電流，使得鋅負(fù)極在電解液中具有更好的抗腐蝕性能。

7、上述鄰苯二甲醛添加劑使得水系鋅離子電解液中的鋅離子沉積均勻且致密，無突起或枝晶生成。并且，鋅負(fù)極表面會形成致密而平整的層狀結(jié)構(gòu)。

8、本發(fā)明優(yōu)選的，所述電池電解液中鄰苯二甲醛的濃度為1-20mmol/l；更優(yōu)選為1-10mmol/l。在本發(fā)明的一些具體實施例中，優(yōu)選為1mmol/l或3mmol/l或5mmol/l或10mmol/l。

9、本發(fā)明優(yōu)選的，所述電池電解液中鋅鹽的濃度為1-3mol/l。在本發(fā)明的一些具體實施例中，所述電池電解液中鋅鹽的濃度優(yōu)選為1mol/l或2mol/l或3mol/l。

10、本發(fā)明優(yōu)選的，所述鋅鹽選自硫酸鋅、乙酸鋅、高氯酸鋅、三氟甲磺酸鋅中的一種或多種；更優(yōu)選為硫酸鋅。

11、本發(fā)明優(yōu)選的，所述電解液還包括去離子水。

12、本發(fā)明還提供了上述的水系鋅離子電池電解液的制備方法，將鄰苯二甲醛的水溶液和鋅鹽混合均勻得到所述的水系鋅離子電池電解液。

13、本發(fā)明優(yōu)選的，所述混合選自超聲混合；

14、優(yōu)選的，所述超聲混合的功率為200-400w；

15、優(yōu)選的，所述超聲混合的時間為30-100min。

16、本發(fā)明還提供了一種水系鋅離子電池，包括上述的水系鋅離子電池電解液或上述的制備方法制備得到的水系鋅離子電池電解液。

17、本發(fā)明所述的水系鋅離子電解液構(gòu)建的鋅負(fù)極opa富集界面使得所述水系鋅離子電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性、高電化學(xué)可逆性和耐久性。

18、并且，由于鄰苯二甲醛的添加，本發(fā)明所述的水系鋅離子電解液能使得電池的可逆性更高，進(jìn)而導(dǎo)致鋅離子沉積過程中的鋅晶粒更加均勻、細(xì)化。

19、此外，使用本發(fā)明所述電解液的水系鋅離子電池在5.0a?g-1的電流密度下循環(huán)1000次后，電池的容量保持率較高，保持為233.5ma?h?g-1。

20、本發(fā)明優(yōu)選的，所述水系鋅離子電池還包括銨根離子插層的五氧化二釩正極、金屬鋅負(fù)極和玻璃纖維隔膜。

21、上述水系鋅離子電池的制備，包括以下步驟：

22、(1)將活性材料nvo、超級活性炭、碳納米管和聚偏二氟乙烯(pvdf)與nmp溶劑混合得到漿料；

23、(2)將上述漿料均勻涂覆在不銹鋼網(wǎng)集流體上，干燥得到nvo陰極電極片；

24、(3)在cr2032紐扣電池配置中，使用nvo陰極電極片、鋅陽極和gf/d玻璃纖維隔膜組裝得到完整的電池。

25、所述步驟(1)中活性材料nvo、超級活性炭、碳納米管和聚偏二氟乙烯(pvdf)的質(zhì)量比優(yōu)選為7:1.5:0.5:1。

26、所述步驟(2)中的干燥優(yōu)選為100℃干燥12h。

27、本發(fā)明還提供了上述的水系鋅離子電池在新能源汽車動力電池、固定式儲能領(lǐng)域、3c消費級電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的水系鋅離子電池電解液，包括鄰苯二甲醛和鋅鹽。所述鄰苯二甲醛的添加不改變電解液性質(zhì)，通過對鋅負(fù)極界面進(jìn)行改性以提高水系鋅離子電池電解液的循環(huán)穩(wěn)定性，并且使得鋅負(fù)極在所述水系鋅離子電池電解液中具有更好的抗腐蝕性能。此外，采用本發(fā)明所述的水系鋅離子電池電解液制備的電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性、高電化學(xué)可逆性和耐久性。這對水系鋅離子電池的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用具有重要引導(dǎo)意義。

技術(shù)特征：

1.一種水系鋅離子電池電解液，其特征在于，包括鄰苯二甲醛和鋅鹽。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水系鋅離子電池電解液，其特征在于，所述電池電解液中鄰苯二甲醛的濃度為1-20mmol/l。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水系鋅離子電池電解液，其特征在于，所述電池電解液中鋅鹽的濃度為1-3mol/l。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水系鋅離子電池電解液，其特征在于，所述鋅鹽選自硫酸鋅、乙酸鋅、高氯酸鋅、三氟甲磺酸鋅中的一種或多種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水系鋅離子電池電解液，其特征在于，所述電解液還包括去離子水。

6.權(quán)利要求1-5任一項所述的水系鋅離子電池電解液的制備方法，其特征在于，將鄰苯二甲醛的水溶液和鋅鹽混合均勻得到所述的水系鋅離子電池電解液。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述混合選自超聲混合；

8.一種水系鋅離子電池，其特征在于，包括權(quán)利要求1-5任一項所述的水系鋅離子電池電解液或權(quán)利要求6或7所述的制備方法制備得到的水系鋅離子電池電解液。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的水系鋅離子電池，其特征在于，所述水系鋅離子電池還包括銨根離子插層的五氧化二釩正極、金屬鋅負(fù)極和玻璃纖維隔膜。

10.權(quán)利要求8或9所述的水系鋅離子電池在新能源汽車動力電池、固定式儲能領(lǐng)域、3c消費級電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種水系鋅離子電池電解液及其制備方法和水系鋅離子電池，屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域。所述水系鋅離子電池電解液，包括鄰苯二甲醛和鋅鹽。所述鄰苯二甲醛的添加不改變電解液性質(zhì)，通過對鋅負(fù)極界面進(jìn)行改性以提高水系鋅離子電池電解液的循環(huán)穩(wěn)定性，并且使得鋅負(fù)極在所述水系鋅離子電池電解液中具有更好的抗腐蝕性能。此外，采用本發(fā)明所述的水系鋅離子電池電解液制備的電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性、高電化學(xué)可逆性和耐久性。這對水系鋅離子電池的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用具有重要引導(dǎo)意義。

技術(shù)研發(fā)人員：宋禮,魏世強,陳雙明,王一琇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9