[发明专利]一种抑制钒基正极钒溶解的水系锌离子电池电解液及其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种抑制钒基正极钒溶解的水系锌离子电池电解液及其制备方法和用途，所述水系锌离子电池电解液包括以下组分：三氟甲烷磺酸锌(Zn(CF₃SO₃)₂)、三氟甲烷磺酸锂(LiCF₃SO₃)和水。本发明通过将三氟甲烷磺酸锌和三氟甲烷磺酸锂组合使用，一方面能有效地降低电解液中自由水分子的数量，抑制水分子活性，提升电极界面的稳定性；另一方面，能改变水系电解液中水合锌离子的溶剂化结构，降低配位水分子数量，进而减少插层水分子数，有效稳定晶格主体结构。将此电解液用于匹配水系锌离子电池钒基正极，显著提升了正极在小电流下的循环稳定性，达到了抑制钒溶解的目的。

技术领域

本发明涉及一种抑制钒基正极钒溶解的水系锌离子电池电解液及其制备方法和用途。

背景技术

目前对于水系可充电锌离子电池的研究工作主要集中在探索高性能正极材料，如钒基材料、锰基材料、普鲁士蓝及其衍生物、过渡金属二硫化物和有机电极材料等。通过对其一系列机理研究和结构优化，正极材料的电化学性能，尤其是循环稳定性，得到了极大的提高。其中，钒氧化物表现出不同的氧化价态(V⁵⁺、V⁴⁺、V³⁺、V²⁺)，这些价态可以相互转化。而且，由于V-O配位多面体产生的畸变及不同价态间的相互转化，使得其能够具有高的储锌能力，比容量能达到300mAh g^-1以上。另外，钒元素在地壳中含量能达到190ppm，自然资源储量丰富，与广泛应用于商业化锂离子电池中的钴元素相比具有更低的成本。鉴于此，研究钒氧化物作为水系锌离子电池正极引起了研究人员的广泛热情。

2016年Nazar组发表于Nature Energy期刊上的文章：A High-Capacity AndLong-Life Aqueous Rechargeable Zinc Battery Using A Metal Oxide IntercalationCathode，这论文探究了一种层状钒酸锌正极材料(Zn_0.25V₂O₅·nH₂O)，其层间的Zn²⁺和H₂O起柱撑作用，扩大层间距的同时也能稳定层结构，为其优异的倍率性能和循环稳定性提供了保障，在8C(1C＝0.3A g^-1)电流密度下循环1000次容量保持率仍有80％以上。Nazar的这一研究成果打开了研究水系钒基锌离子电池的一道大门。

水系钒基锌离子电池经过5年时间的沉淀，科研工作人员对于正极这一体系从探索材料-机理研究-材料调控-改性材料机理分析进行了系统的探究，在这方面取得了丰硕的研究成果。但是，在水系钒基锌离子电池的研究中钒溶解的问题往往被大家所忽视。

Zn²⁺在水溶液中会形成溶剂化的水合锌离子，当正极层间距的足够大时，水合锌离子在充放电反应时进行嵌入/脱出过程。在放电过程中，水合锌离子的嵌入势必会造成层间水分子的增加，大量的水分子积聚在层间不仅影响电极和电解液界面的反应，还会加速钒基正极的溶解。这在现有水系钒基锌离子电池文献造成了一个很普遍的现象：电池容量在小电流下衰退的很快，而大电流下容量相对稳定，通常可以循环上千圈，甚至上万圈。

发明内容

本发明目的是提供一种抑制钒基正极钒溶解的水系锌离子电池电解液及制备方法和用途。该电解液可极大降低自由水分子活性，破坏水分子网络，从而提升电极界面稳定性。另外，本发明通过调控水合锌离子的溶剂化结构，减少插层水分子数量，可更近一步的稳定晶体结构。这都有利于提高电池的循环性能。

为实现上述目的，所采取的技术方案：一种抑制钒基正极钒溶解的水系锌离子电池电解液，所述水系锌离子电池电解液包括以下组分：三氟甲烷磺酸锌、三氟甲烷磺酸锂和水。

优选地，所述三氟甲烷磺酸锌与所述三氟甲烷磺酸锂的摩尔比为2:3～8。