[发明专利]一种水系锌离子电池电解液及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种水系锌离子电池电解液及其制备方法与应用。一种水系锌离子电池电解液包含水、锌盐以及共溶剂，所述共溶剂是分子结构中含有脲基、酰胺或磷酰胺结构单元的极性有机溶剂。制备方法包括将锌盐溶解在去离子水中，搅拌，待锌盐完全溶解之后加入相应的共溶剂，继续搅拌，直至形成均匀且透明的水系锌离子电池电解液。本发明引入的共溶剂可改善锌离子的溶剂化结构，降低锌离子的脱溶剂化势垒，有效抑制锌枝晶，避免析氢反应对金属锌的腐蚀。因此，本发明所提供的电解液能有效调控锌离子的溶剂化环境，提高锌金属的稳定性以及电池的电化学性能，在水系锌离子电池领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于水系锌离子电池领域，特别涉及一种水系锌离子电池电解液及其制备方法与应用。

背景技术

水系锌离子电池使用的锌金属负极因其储备丰富、成本低、环境友好以及运行安全等优势，在大规模储能方面具有较大的应用潜力。然而，以金属锌作为负极材料在酸性或中性环境中进行电化学循环时，不受控制的锌枝晶生长可能会刺穿隔膜导致电池短路，并且枝晶倾向于优先从根部溶解，导致锌枝晶与主体分离，从而形成惰性的“死锌”，将加速活性锌的消耗。此外，锌金属是无自支撑的负极，会在放电时完全溶解，而在后续充电时在负极表面重新分布，导致负极表面产生裂纹，这种结构上的损伤会大大增加电池失效的风险。另外，锌金属不近容易发生锌枝晶，析氢以及表面腐蚀等问题也较为严重，与其它正极材料如MnO₂、V₂O₅、磷酸钒钠或者硫正极匹配时，严重影响其整体的电化学性能。

为此，为了改善锌负极在水系电解质中的稳定性，不同的改进方法包括：①在锌表面涂覆物理保护层，如聚酰亚胺、聚氧化乙烯、石墨烯、或者高导电的Mxene等，隔绝水与锌的直接接触；②与锌金属形成合金，降低析氢电位；③构筑三维导电网络诱导锌的沉积，均匀电流密度，从而改善锌的生长方向或者沉积形貌。④引入电解液添加剂，如葡萄糖、木质素等多羟基生物质大分子，该类物质对锌离子具有较强的吸附作用，诱导锌的沉积，降低锌的成核过电位，从而达到抑制锌腐蚀的目的。

上述方法虽然在一定程度上可改善锌金属在电解液中的稳定性，但会带来一些其它副作用，如方法①降低了电池的能量密度，而且在不断的循环过程中，保护膜容易发生脱落；方法②形成合金可以均匀锌沉积的电流密度，可一定程度上降低锌的成核电位，但并未从根本上调整锌的沉积方向或者抑制锌枝晶；方法③通过均匀锌沉积的电流密度，但同时增加了锌的反应活性面积，进一步的增加了电池的副反应。值得注意的是锌枝晶的刚性模量远远高于锂枝晶，如果不能从根本上调控锌沿着某一晶面沉积，调整锌的生长方向的话，将进一步增加电池失效风险。

发明内容

针对以上技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种水系锌离子电池电解液及其制备方法与应用，通过电解液优化提高锌金属稳定的方法简单，无需改变现有的生产工艺，更符合大规模产业化应用的要求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种水系锌离子电池电解液，包含水、锌盐以及共溶剂，所述共溶剂是分子结构中含有脲基(-NC＝ON-)、酰胺(-NC＝O-)或磷酰胺(-NP＝O-)结构单元的极性有机溶剂。

进一步地，所述共溶剂在电解液中的体积分数为5％～40％。

进一步地，所述锌盐在电解液中的浓度为1～4mol/L。

进一步地，所述共溶剂主要包括N，N-二甲基乙酰胺(NMA)、六甲基磷酰三胺(HMPA)、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮(DMI)、1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮(DMPU)、四甲基脲(TMU)中的一种或几种。

进一步地，所述锌盐主要包括三氟甲烷磺酸锌、四氟硼酸锌、双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺锌、硫酸锌、氯化锌、硼酸锌、硝酸锌中的一种或几种。