[发明专利]用于锌金属电极的电解质添加剂

说明书

锌金属负电极和水性电解质可以被使用在可再充电的电池中。电解质可以包括：被溶解在水中的硫酸锌，其具有在0‑7的范围中的pH；以及至少一种添加剂，用于增大电解质的离子导电率，和/或缓冲电解质的pH，和/或控制负电极的经剥离/电镀的表面的形貌。电解质可以减小由如下各项所引起的内部短路的可能性：在重复的循环之后的负电极体积膨胀和形貌改变；以及锌金属渗透通过分离器到正电极。

对相关申请的交叉引用

本申请对2017年5月1日提交的、申请号为62/492,446的美国临时申请要求优先权，所述申请的全部内容由此通过引用被并入本文中。

技术领域

本公开内容一般地涉及电化学，并且更具体地涉及锌金属电镀和剥离。

引言

以下段落并不承认在它们中所讨论的任何事物是现有技术或本领域技术人员的认知的部分。

在许多一次和二次水性电池类型中使用金属锌负电极。锌具有高丰度和大产量，这使得它不昂贵；它是无毒的；与在水性电池中所使用的其它负电极材料相比，具有低氧化还原电势（-0.76V相对于标准氢电极（SHE））；并且由于用于析氢的高的超电势而在水中是稳定的。

对于使用锌负电极的二次电池的一个缺点和挑战是树枝状或苔藓状的沉积物的形成，该沉积物可能在重复的循环期间积聚并且通过内部短路而引起比预期早的电池单元故障。

锌金属的沉积（电镀）是重要的工业过程。锌电镀用于防腐，并且水性的和非水性的电池电解质（或电镀槽）均已经被应用到该过程，但是由于实际和经济原因，水性电解质可以更具吸引力。锌的平滑沉积对于金属基底的均匀覆盖以用于良好的防腐而言是重要的。可以不仅通过优化电镀槽组成，而且还通过控制槽的其它参数、诸如温度、电流密度和机械搅动（流动或搅拌）来控制均匀的沉积。

可逆的锌电镀/剥离发生在使用锌金属负电极的可再充电的电池中。相比于其中仅仅发生沉积的锌电镀过程，在锌金属电池电极的电镀/剥离循环期间的体积改变可能导致问题，包括因锌金属渗透通过分离器并且与正电极接触的内部短路。除了考虑电池中的电镀和剥离机制二者的必要性之外，在实际循环期间，诸如电流密度和温度之类的参数不能被那么容易地控制，并且搅拌电解质通常是不可能的。另一方面，从传统的锌电镀槽组成中可以学到经验教训，用于针对可再充电的电池中的锌电极的良好循环进行优化。

在过去已经使用了酸性硫酸盐和氯化物电镀槽，其中添加了所谓的光亮剂来在其它金属上提供锌金属的闪亮饰面。氯化物槽与它们的硫酸盐对应物相比具有如下优点：更高的离子导电率以及锌阳极的更好的溶解。然而，在电池中应当避免氯化物阴离子，因为它相当具腐蚀性并且可在操作期间溶解电池的其它组分，以及导致在正电极处的析氯的风险。出于这些原因，对于酸性的水性可再充电的锌金属电池而言，硫酸盐阴离子是优选的。硫酸锌具有如下优点：相对不昂贵、不具腐蚀性、并且具有宽的稳定电压窗口。

诸如碱性电池和锌-碳电池之类的使用锌金属电极的许多传统水性电池使用碱性电解质。通常，在碱性电解质中，观察到锌沉积物的树枝状形貌。树枝状物（dendrite）由于高的表面积以及易于渗透通过分离器而特别成问题。除了树枝状物生长之外，锌金属电镀/剥离的低库仑效率（CE）也是主要挑战。这已抑制了这些一次（不可再充电）电池类型被再充电。许多新的电池化学、包括锌-空气电池、锌-离子电池、锌混合超级电容器、锌-溴化物电池、锌-碘化物电池、锌-铁氧化还原液流电池以及锌-铈氧化还原液流电池可以使用酸性电解质，而不是碱性电解质。

发明内容

以下意图将读者引入到随后的详细描述并且不限定或限制所要求保护的主题。