[发明专利]一种抑制锌电池锌枝晶的电解液及其应用

说明书

本发明公开了一种抑制锌电池锌枝晶的电解液及其应用。所述电解液添加剂为分散剂NNO，用量为1‑100mmol/L。本发明提出的电解液添加剂是一种阴离子表面活性剂，为萘二磺酸和甲醛缩聚产物。由于该添加剂含磺酸基团，会优先吸附在Zn阳极表面，并参与Zn²⁺的溶剂化结构，从而促进锌的均匀沉积。该添加剂能够有效解决锌离子电池循环中的锌枝晶生长及电极钝化等问题，从而大大提升了电池的循环可逆性。

技术领域

本发明属于水系锌电池电解液改性领域，涉及一种低成本的、用于锌电池的电解液及其应用，可解决当前锌电池面临的锌枝晶生长严重的问题，实现高可逆、高循环寿命、高容量的应用目标，从而大幅提高锌离子电池在储能领域的商业应用可能性。

背景技术

基于金属锌阳极的水锌电池具有高理论容量(820mAh g^-1)和低电位(-0.76V vsSHE)的特点，由于其低成本、内在安全性和理想的环境兼容性，在大规模储能应用中引起了极大兴趣。然而，在许多实际应用中，锌电池面临着诸多挑战，成为其实现商业化应用的关键技术障碍，包括：(1)循环过程中锌枝晶的生长，可逆性较差；(2)持续消耗电解质引起的自放电；(3)产生不可逆副产物等。析氢副反应及其副产物(Zn₄SO₄(OH)₆·xH₂O)严重破坏了电极/电解质界面的稳定性，加速了电解液、锌阳极的消耗，从而进一步降低了锌电池的循环寿命。此外，取向杂乱的锌枝晶易堆积，甚至刺破隔膜引起短路，这大大降低了电池的循环寿命。

到目前为止，许多方法都致力于解决这一具有挑战性的问题，如电解液优化、人工界面、锌阳极结构设计。其中，锌负极表面改性主要是通过建立人工界面，防止锌负极与电解液直接接触，从而降低锌极的局部交换电流密度，进而促进锌离子的均匀沉积。然而，构建的人工界面在长期循环中由于体积变化而导致破裂、失效；同时，在循环过程中的脱落可能会导致电池短路，循环寿命大大降低。而电解液作为锌离子传输的重要载体，其组成对锌离子沉积/剥离行为、扩散动力学、锌负极/电解液界面双电层结构有着重要作用。在电解液中添加少量添加剂可在保留水系电解液安全性优势的同时，具备成本低、可有效提高电池循环可逆性、稳定锌负极的特点。其中，表面活性剂是工业电镀锌中常用的一类添加剂，可以吸附在锌极表面的同时改变锌沉积取向，使得更多锌在(002)晶面实现沉积。最近有研究表明，Zn²⁺与Zn(002)晶面之间较低的结合能使得沿c轴的外延生长较慢，从而抑制了(002)晶面枝晶的形成。此外，表面能最低的Zn(002)平面显示出较低的析氢和腐蚀反应电化学活性。因此，这是一种很有前途的方法实现高利用率的锌阳极。

根据电荷转移和扩散能垒最小化的原则，锌离子会自发迁移至高电荷密度处的尖端形核和生长，从而导致局部离子通量和电场强度不均匀。因此通过影响锌离子扩散途径和沉积势垒可以改变锌离子形核、沉积过程，从而解决锌枝晶问题。这为选择合适的添加剂提供了一定思路，即选择能对锌沉积取向有所作用的添加剂。

发明内容

针对现有问题，本发明提出了一种抑制锌电池锌枝晶的电解液及其应用，其中以分散剂NNO为添加剂，该电解液添加剂成本低廉、安全环保，本发明可以有效解决由于界面电场不均匀分布导致的锌枝晶问题，这对提升锌基电池的循环稳定性具有重要价值。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种电解液添加剂，所述电解液添加剂为扩散剂NNO，如式(1)所示的化合物：

所述添加剂是一种阴离子表面活性剂，为萘二磺酸和甲醛缩聚产物。由于该添加剂含磺酸基团，会优先吸附在Zn阳极表面，并参与Zn²⁺的溶剂化结构，从而诱导锌离子以(002)晶面的形式层状沉积，这从根本上抑制枝晶的形成。相比于其他晶面，(002)晶面具有最低表面能，抗腐蚀能力最强。这在一定程度上防止电池在长循环后出现胀包、爆炸等问题，提高电池的耐用性和寿命稳定性。