[發(fā)明專利]一種水系鋅離子電池電解液以及電池

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• 申請日: 2021-12-06
• 公開（公告）號: CN114388901A
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 沈越;鐘蕓;黃云輝
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: H01M10/36
• 分類號: H01M10/36
• 代理公司: 武漢華之喻知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42267
• 代理人: 王世芳;梁鵬

本發(fā)明提供了一種水系鋅離子電池電解液以及電池，屬于水系鋅離子電池領(lǐng)域，水系鋅離子電池電解液包括谷氨酸鈉、鋅鹽和水，谷氨酸鈉在該水系鋅離子電池電解液中的濃度為0.01mol/L～0.5mol/L，優(yōu)選為0.1mol/L～0.5mol/L，鋅鹽選自硫酸鋅、氯化鋅、硝酸鋅、乙酸鋅、高氯酸鋅、四氟硼酸鋅、三氟甲烷磺酸鋅中的一種或多種，鋅鹽在該水系鋅離子電池電解液中的濃度為1.5mol/L～2.5mol/L。本發(fā)明還提供一種水系鋅離子電池，包括正極、負(fù)極和電解液，其電解液為如上所述的水系鋅離子電池電解液。本發(fā)明有效解決了鋅負(fù)極的腐蝕和鋅枝晶問題，并能顯著提高循環(huán)穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水系鋅離子電池領(lǐng)域，更具體地，涉及一種水系鋅離子電池電 解液以及電池。

背景技術(shù)

發(fā)展可再生能源迫切需要開發(fā)高安全、低成本、長壽命大規(guī)模儲能新技術(shù)。 鋰離子電池是目前廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品及電動汽車的電化學(xué)儲能裝置， 具有能量密度高和循環(huán)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。然而，鋰資源短缺和有機(jī)電解液的易 燃性帶來了許多經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)和安全隱患，限制了其在大規(guī)模儲能領(lǐng)域的應(yīng)用。因 此，探索其他替代電池體系刻不容緩。

水系鋅離子電池是近年發(fā)展起來的一種新型二次電池，得益于電池材料安 全無毒、價格低廉、制備工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。其中，由于金屬鋅 具有理論比容量高、價格低和安全性好等優(yōu)勢，以金屬鋅為負(fù)極，中性或弱酸 性含鋅水溶液為電解液的水系可充電鋅離子電池有望成為下一代安全儲能體系 的重要備選。

然而，金屬鋅在常規(guī)中性或者弱酸性鋅鹽水溶液中是熱力學(xué)不穩(wěn)定的。在 水系環(huán)境中，即使在靜置期間也會發(fā)生析氫腐蝕，導(dǎo)致鋅電極溶解、電解液不 當(dāng)消耗等問題。而且，隨之產(chǎn)生的氣體將會增加電池的內(nèi)部壓力，電池內(nèi)部逐 漸膨脹內(nèi)阻增加，導(dǎo)致電池嚴(yán)重退化。在放電過程中，界面副反應(yīng)會干擾鋅離 子在鋅負(fù)極表面的沉積過程，并伴隨有副產(chǎn)物如羥基硫酸鋅的生成，降低庫倫 效率。同時鋅離子不均勻沉積導(dǎo)致的枝晶生長會影響電池循環(huán)性能，甚至刺穿 隔膜引發(fā)電池內(nèi)部短路。

因此，改善鋅負(fù)極對于提升水系鋅離子電池的庫倫效率和使用壽命具有重 要意義。

目前，主要通過以下途徑來解決鋅負(fù)極問題，從而改善水系鋅離子的循環(huán) 性能：(1)構(gòu)建人工界面層；(2)調(diào)整集流體結(jié)構(gòu)；(3)優(yōu)化電解液。前兩種方法涉 及較為復(fù)雜的制備工藝，因而從實際出發(fā)，通過優(yōu)化電解液改善鋅負(fù)極性能是 最簡單可行的方式。引入電解液添加劑可以有效調(diào)控電極/電解液界面。目前， 常用的添加劑包括有機(jī)添加劑和金屬離子添加劑。有機(jī)添加劑主要通過吸附在 鋅有利形核位點(diǎn)來優(yōu)化鋅離子的沉積位置，有效地促進(jìn)鋅離子的均勻沉積。但 添加劑的含量應(yīng)控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，以避免過度極化，降低電導(dǎo)率。金屬離子 添加劑能夠吸附在鋅電極表面形成帶正電荷的靜電屏蔽層，通過靜電排斥作用， 可以有效抑制鋅枝晶生長。以上添加劑都能在一定程度上解決不均勻的鋅沉積問題。然而，鋅電極的腐蝕問題同樣不可忽視，它在電池擱置和運(yùn)行期間都會 持續(xù)消耗電解液和活性鋅，損害電池的循環(huán)壽命、擱置壽命和容量保持能力。

因此，需要開發(fā)一種新型的鋅離子電池，以同時解決上述鋅負(fù)極問題，這 對于推進(jìn)水系鋅離子電池在大規(guī)模儲能領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種水系鋅離子電池電解液 以及電池，設(shè)計了具有全新成分組成的水系鋅離子電池電解液，進(jìn)一步配合不 同成分的正極和不同成分的負(fù)極，有效解決了鋅負(fù)極的腐蝕和鋅枝晶問題，并 能顯著提高循環(huán)穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的第一個方面，提供了一種水系鋅離子電池 電解液，其包括谷氨酸鈉、鋅鹽和水，谷氨酸鈉在該水系鋅離子電池電解液中 的濃度為0.01mol/L～0.5mol/L。

進(jìn)一步的，谷氨酸鈉在該水系鋅離子電池電解液中的濃度為0.1mol/L～0.5 mol/L。

進(jìn)一步的，谷氨酸鈉在該水系鋅離子電池電解液中的濃度為0.2mol/L～0.4 mol/L。