[發(fā)明專利]一種水系鋅離子儲能器件

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110602726.2
• 申請日: 2021-05-31
• 公開（公告）號: CN113381081A
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張辰;孟蓉?zé)?/a>;楊全紅;凌國維
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: H01M10/36
• 分類號: H01M10/36;H01M10/42
• 代理公司: 廣東莞信律師事務(wù)所 44332
• 代理人: 曾秋梅

本發(fā)明屬于儲能器件領(lǐng)域，尤其涉及一種水系鋅離子儲能器件，包括正極、負極、隔離膜和電解液，所述電解液包括溶劑和溶質(zhì)，所述電解液中還包括添加劑，所述添加劑為水溶性螯合劑。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過在二次電池體系的鋅鹽電解液中添加低成本的螯合劑添加劑，一方面螯合分子可以吸附在負極表面，抑制活潑金屬同電解液間的副反應(yīng)，提高耐腐蝕性；另一方面表面的鋅離子更難從螯合劑中脫出進行沉積，增大沉積過電位，進而促使活潑金屬在沉積過程中具有更均勻的沉積位點，同時水溶性螯合劑分子吸附在鋅負極表面可均勻表面局部電荷，進而獲得無枝晶的金屬負極。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于儲能器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種水系鋅離子儲能器件。

背景技術(shù)

目前，ZnSO₄是較為合適的廉價鋅鹽，其水溶液由于Zn²⁺的水解作用呈現(xiàn)弱酸性，被廣泛應(yīng)用于二次水系鋅離子電池中。但是在水系電解液中，由于Zn²⁺與H₂O分子之間存在著較強的溶劑化效應(yīng)，使得Zn²⁺去溶劑化的時候需要躍過更高的能壘才能將Zn²⁺從硫酸鋅-水合離子締合物([Zn(H₂O)₆²⁺SO₄^2-])溶劑化鞘中脫出進行鋅沉積的過程，進而造成低的鋅負極庫倫效率。同時，Zn²⁺在負極界面脫溶劑化的過程中會在負極表面釋放大量的活性水分子，從而造成負極表面副反應(yīng)加劇，局部pH值升高以及造成電解液的永久性損耗。因此很多措施都致力于從Zn²⁺的去溶劑化這一角度去降低反應(yīng)能壘。周豪慎團隊利用在負極表面構(gòu)建疏水的金屬有機骨架(MOF)層以達到在負極表面保持超飽和電解液層的目的，利用原位拉曼光譜他們發(fā)現(xiàn)在MOF通道中遷移的高配位數(shù)鋅離子絡(luò)合物不同于體相電解液中的溶劑化結(jié)構(gòu)，說明在到達鋅負極的過程中溶劑化鞘不斷去溶劑化，形成梯度濃度層(Yang H,Chang Z,Qiao Y,et al.Constructing a super-saturated electrolyte front surfacefor stable rechargeable aqueous zinc batteries[J].Angewandte Chemie-International Edition,2020,59(24):9377-9381.)?；谶@一原理，副反應(yīng)大幅減少，抑制枝晶產(chǎn)生。但是這種涂布剛性保護層的作用對于長期使用而言存在其固有弊端，即保護層的不可逆破壞?；谌ト軇┗季S，越來越多科研工作者開始把目光轉(zhuǎn)到電解液添加劑的設(shè)計上來。但是目前報道的電解液添加劑的去溶劑化并不徹底，依然會有少量高活性自由水分子在負極釋放從而誘發(fā)副反應(yīng)。

在此情況下，經(jīng)過本發(fā)明的發(fā)明人的潛心研究和日夜鉆研，本發(fā)明提出了一種水系鋅離子儲能器件，其創(chuàng)新性地在電解液中添加水溶性螯合劑，添加劑吸附在負極表面持續(xù)產(chǎn)生抗腐蝕和抑制枝晶作用，其所起到的規(guī)則化形貌和抗腐蝕作用效果是動態(tài)可持續(xù)的，從而實現(xiàn)耐腐蝕、無枝晶、長壽命的金屬負極。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種低成本的螯合物添加劑用于水系鋅離子儲能器件電解液，以實現(xiàn)耐腐蝕、無枝晶、長壽命的金屬負極。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種水系鋅離子儲能器件，包括正極、負極、隔離膜和電解液，所述電解液包括溶劑和溶質(zhì)，所述電解液中還包括添加劑，所述添加劑為水溶性螯合劑。

作為本發(fā)明水系鋅離子儲能器件的一種改進，所述水溶性螯合劑為EDTA、NTA、DTPA、HEDTA和、丁二酸、水楊酸、草酸、乙酸、甘氨酸的鹽溶液中的至少一種，鹽溶液為鈉鹽溶液或鉀鹽溶液。

作為本發(fā)明水系鋅離子儲能器件的一種改進，在所述電解液中，所述添加劑的濃度為0.001～0.100M。濃度太高容易有Zn-水溶性螯合劑的沉淀生成。