[發明專利]一種水系鋅離子電池復配型凝膠電解液及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202010587259.6
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111682268B
• 公開（公告）日: 2023-08-25
• 發明（設計）人: 許敬亮;熊文龍;王明海;應漢杰;呂永坤;阿拉牧;胡心航
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: H01M10/36
• 分類號: H01M10/36
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種水系鋅離子電池復配型凝膠電解液及其制備方法和應用，該復配型凝膠電解液由木質素衍生物、無機納米顆粒和水相電解液均勻混合而成。制備方法是將木質素衍生物、無機納米顆粒依次加入水相電解液中，充分攪拌后靜置一定時間，得到均一穩定的復配型凝膠電解液。本發明所提供的復配型凝膠電解液比水相電解液更安全；使用本發明所提供復配型凝膠電解液的水系鋅離子電池，倍率和循環性能更優；本發明提供的木質素衍生物來源廣泛、可再生且價格低廉，提供的無機納米顆粒可規模化生產。因此，使用本發明所制備復配型凝膠電解液的水系鋅離子電池，滿足高容量、高能量密度、長壽命且環境友好的鋅離子儲能技術要求，應用前景廣闊。

技術領域

本發明屬于水系鋅離子電池領域，特別涉及一種水系鋅離子電池復配型凝膠電解液及其制備方法和基于該復配型凝膠電解液的水系鋅離子電池。

背景技術

金屬鋅的理論體積比容量和理論質量比容量分別高達5854mAh·cm^-3和819?mAh·g^-1，而且Zn/Zn²⁺的標準電極電勢較低(-0.76Vvs標準氫電極)，使得可充電水系鋅離子電池在眾多二次電池中成為熱點研究對象。其中，以水溶性鋅鹽和水溶性錳鹽的混合水溶液為電解液、金屬鋅為負極的可充電水系鋅離子電池?(ReAZIB)，因其電極材料來源廣泛、價格低廉、無毒、比容量較高，而且電解液安全性高、環保，被視為未來大規模儲能、便攜電動工具、可穿戴電子設備等領域非常有競爭力的二次電池之一。

然而在普通水相電解液(水溶性鋅鹽和水溶性錳鹽的混合水溶液)中，Zn²⁺在鋅負極表面的電化學沉積/剝離行為無序且過程不可控，使鋅負極表面極易生長鋅枝晶，從而導致ReAZIB的循環性能大幅降低。向水相電解液中添加黃原膠、明膠或聚乙烯醇等聚合物所制備的凝膠電解液，可有效抑制鋅枝晶的形成和生長，但會造成電解液的離子電導率大幅下降，這必然會導致電池的容量損失和倍率性能下降。據報道在水系Zn/LiMn₂O₄二次電池中，向水相電解液(Li₂SO₄和ZnSO₄的混合水溶液)中添加氣相納米二氧化硅所形成的凝膠電解液，不僅可以有效抑制鋅枝晶的形成和生長，還能夠保持較高的離子電導率；但氣相納米二氧化硅顆粒表面的羥基(-OH)會釋放H⁺，從而增加電解液對鋅負極的腐蝕，導致凝膠電解液對電池循環性能的提升效果不明顯。此外，目前尚無氣相納米二氧化硅基凝膠電解液應用于ReAZIB的研究報道。

木質素是具有三維網絡結構、豐富官能團的天然可再生無定形聚合物，具有兩親性結構特征和抗菌、抗氧化以及緩蝕等天然屬性，其可作為高分子表面活性劑和功能材料等在建筑、農業、能源等領域具有較大的潛在應用價值。然而其結構復雜且極易出現物理或化學異構，導致全球每年產生的工業木質素中只有不到5％被商品化利用，其余的被直接燃燒或作為垃圾被填埋，這樣不僅沒有挖掘木質素的潛在應用價值，反而造成巨大的資源浪費和嚴重的環境污染問題。因此，木質素基高附加值化學品的研發以及木質素基化學品的高附加值應用領域開拓等工作就顯得尤為重要。

本發明對來源豐富、價格低廉且無毒的木質素進行合理改性，進而與氣相納米顆粒一起添加至水相電解液中，制備出具有抑制鋅枝晶功能，同時對鋅負極腐蝕性低的復配型凝膠電解液，從而同時提升ReAZIB的倍率性能和循環性能。本發明可為高性能可充電水系鋅離子電池的電解液構建提供新思路，同時也為木質素資源的高值化利用開辟新應用領域。

發明內容

為了提升水系鋅離子電池的綜合性能，本發明的首要目的在于提供一種水系鋅離子電池復配型凝膠電解液。

本發明的另一目的在于提供一種基于上述復配型凝膠電解液的水系鋅離子電池。

本發明的目的通過下述方案實現：

一種水系鋅離子電池復配型凝膠電解液，其特征在于所述的復配型凝膠電解液由木質素衍生物、無機納米顆粒、水相電解液均勻混合而成。