[發明專利]一種以麥稈提取物作為生物質有機鹽添加劑的水系鋅離子電池電解液及其應用

在審

• 申請號: 202210473452.6
• 申請日: 2022-04-29
• 公開（公告）號: CN114883670A
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 張朝峰;王睿;張龍海
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: H01M10/36
• 分類號: H01M10/36;H01M10/38
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 喬恒婷

本發明公開了一種以廢棄麥稈提取物作為生物質有機鹽添加劑的水系鋅離子電池電解液，所述水系鋅離子電池電解液具體成分包括硫酸鋅、去離子水以及生物質有機鹽添加劑；所述生物質有機鹽添加劑為木質素磺酸鈉、木質素磺酸鈣和木質素磺酸銨。具有0.05M生物質有機鹽添加劑的Zn/Zn對稱電池在電流密度5mAcm^?2下表現出優異的循環穩定性，時間分別為1650、1000、800h。具有木質素磺酸鈉添加劑電解質的全電池(Zn//MnO₂，Zn//PANI)顯示出更高的穩定循環性以及容量保持率。本發明中的木質素磺酸根可通過吸附在鋅片表面形成Zn²⁺遷移通道，引導Zn²⁺沿Zn(002)晶面均沉積，有效保護負極鋅片。

技術領域

本發明涉及一種以麥稈提取物作為生物質有機鹽添加劑的水系鋅離子電池電解液及其應用，屬于水系鋅離子電池電解液添加劑領域。

背景技術

水系鋅離子電池具有合適的電位(-0.76V vs.SHE)、高重量/體積理論容量(820mAh g^-1/5855mAh cm^-2)、環境友好、資源豐富、安全性高、不易燃等特點是新型電池存儲系統中鋰離子電池的有希望的替代品。然而，鋅負極可逆性差(枝晶、腐蝕和副產物問題)嚴重限制了AZIBs的實際商業化。較差的可逆性源于：1)在電解質/電極界面上，局部電場分布不均勻導致鋅鍍層不均勻和鋅枝晶生長，不可避免地導致電池長時間循環后壽命縮短。2)在液相中，Zn²⁺與水分子結合形成Zn(H₂O)₆²⁺在鍍鋅過程中的強溶劑化結構，具有很高的去溶劑化能壘，直接影響Zn核的形成。這些屬于溶劑化層的水分子具有化學反應性，因此在電解液/電極界面容易產生H₂析出，影響Zn電鍍/剝離工藝的庫倫效率。3)H₂釋放導致局部pH值升高和副產物積累(例如Zn₄SO₄(OH)₆·xH₂O)。

到目前為止，已經開發了多種方法來實現鋅負極的高可逆性，例如負極設計(例如，構建保護層、主體材料結構設計和采用鋅合金)、隔膜改性和電解質優化。其中，電解質優化是一種簡單易行、經濟實惠且實用的權宜之計。迄今為止，電解質優化的方法包括鹽包水電解質(高濃度)和電解質添加劑(低濃度)策略。鹽包水電解質的策略是通過減少活性水的量來抑制水引起的析氫和副反應。然而，鹽包水電解質會導致離子電導率急劇下降和成本飆升。相比之下，在電解液中加入適當的添加劑被認為是抑制枝晶生長的高效方法之一。近年來，報道的添加劑包括離子添加劑(如Ce³⁺、EDTA^4-、TMA⁺)和有機添加劑(如甲醇、葡萄糖、乙醚)。一般來說，電解液添加劑通過吸附在鋅表面引導均勻的Zn²⁺成核或調節Zn水化層的溶劑化結構以抑制析氫反應。盡管這些添加劑已經取得了一些成功，但這些材料的來源來自極其有限且不可再生的化石或礦石能源，這大大降低了AZMB的環境友好性和低成本優勢。因此，仍迫切需要開發可再生、無毒、天然豐度高、易于制備的新型電解液添加劑以實現商業化。

木質素磺酸鈉(SL)、木質素磺酸鈣(CL)和木質素磺酸銨(AL)屬于木質素磺酸基的有機鹽，是一類從秸稈中提取的綠色植物提取物，是造紙工業的副產品，可低成本大量獲得。此外，木質素磺酸鹽具有令人滿意的水溶性和膠結能力，是一種無毒且可生物降解的可再生資源。但是，只有10％的木質素磺酸鹽可以作為低價值產品(分散劑、減水劑、染料行業的中間體)回收利用，造成資源浪費。因此，探索木質素磺酸鹽的新穎和先進的應用(例如能源領域的電解質添加劑)顯然是一個迷人的想法。

發明內容