[发明专利]一种以麦秆提取物作为生物质有机盐添加剂的水系锌离子电池电解液及其应用

说明书

本发明公开了一种以废弃麦秆提取物作为生物质有机盐添加剂的水系锌离子电池电解液，所述水系锌离子电池电解液具体成分包括硫酸锌、去离子水以及生物质有机盐添加剂；所述生物质有机盐添加剂为木质素磺酸钠、木质素磺酸钙和木质素磺酸铵。具有0.05M生物质有机盐添加剂的Zn/Zn对称电池在电流密度5mAcm^‑2下表现出优异的循环稳定性，时间分别为1650、1000、800h。具有木质素磺酸钠添加剂电解质的全电池(Zn//MnO₂，Zn//PANI)显示出更高的稳定循环性以及容量保持率。本发明中的木质素磺酸根可通过吸附在锌片表面形成Zn²⁺迁移通道，引导Zn²⁺沿Zn(002)晶面均沉积，有效保护负极锌片。

技术领域

本发明涉及一种以麦秆提取物作为生物质有机盐添加剂的水系锌离子电池电解液及其应用，属于水系锌离子电池电解液添加剂领域。

背景技术

水系锌离子电池具有合适的电位(-0.76V vs.SHE)、高重量/体积理论容量(820mAh g^-1/5855mAh cm^-2)、环境友好、资源丰富、安全性高、不易燃等特点是新型电池存储系统中锂离子电池的有希望的替代品。然而，锌负极可逆性差(枝晶、腐蚀和副产物问题)严重限制了AZIBs的实际商业化。较差的可逆性源于：1)在电解质/电极界面上，局部电场分布不均匀导致锌镀层不均匀和锌枝晶生长，不可避免地导致电池长时间循环后寿命缩短。2)在液相中，Zn²⁺与水分子结合形成Zn(H₂O)₆²⁺在镀锌过程中的强溶剂化结构，具有很高的去溶剂化能垒，直接影响Zn核的形成。这些属于溶剂化层的水分子具有化学反应性，因此在电解液/电极界面容易产生H₂析出，影响Zn电镀/剥离工艺的库伦效率。3)H₂释放导致局部pH值升高和副产物积累(例如Zn₄SO₄(OH)₆·xH₂O)。

到目前为止，已经开发了多种方法来实现锌负极的高可逆性，例如负极设计(例如，构建保护层、主体材料结构设计和采用锌合金)、隔膜改性和电解质优化。其中，电解质优化是一种简单易行、经济实惠且实用的权宜之计。迄今为止，电解质优化的方法包括盐包水电解质(高浓度)和电解质添加剂(低浓度)策略。盐包水电解质的策略是通过减少活性水的量来抑制水引起的析氢和副反应。然而，盐包水电解质会导致离子电导率急剧下降和成本飙升。相比之下，在电解液中加入适当的添加剂被认为是抑制枝晶生长的高效方法之一。近年来，报道的添加剂包括离子添加剂(如Ce³⁺、EDTA^4-、TMA⁺)和有机添加剂(如甲醇、葡萄糖、乙醚)。一般来说，电解液添加剂通过吸附在锌表面引导均匀的Zn²⁺成核或调节Zn水化层的溶剂化结构以抑制析氢反应。尽管这些添加剂已经取得了一些成功，但这些材料的来源来自极其有限且不可再生的化石或矿石能源，这大大降低了AZMB的环境友好性和低成本优势。因此，仍迫切需要开发可再生、无毒、天然丰度高、易于制备的新型电解液添加剂以实现商业化。

木质素磺酸钠(SL)、木质素磺酸钙(CL)和木质素磺酸铵(AL)属于木质素磺酸基的有机盐，是一类从秸秆中提取的绿色植物提取物，是造纸工业的副产品，可低成本大量获得。此外，木质素磺酸盐具有令人满意的水溶性和胶结能力，是一种无毒且可生物降解的可再生资源。但是，只有10％的木质素磺酸盐可以作为低价值产品(分散剂、减水剂、染料行业的中间体)回收利用，造成资源浪费。因此，探索木质素磺酸盐的新颖和先进的应用(例如能源领域的电解质添加剂)显然是一个迷人的想法。

发明内容