[發(fā)明專利]一種雙離子電解液及含有該電解液的水系鋅基雙離子電池

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210567470.0
• 申請(qǐng)日: 2022-05-24
• 公開（公告）號(hào): CN114843627A
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王春麗;程勇;王立民;尹東明;趙遠(yuǎn);高宇星;黃崗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所
• 主分類號(hào): H01M10/36
• 分類號(hào): H01M10/36
• 代理公司: 長(zhǎng)春眾邦菁華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 22214
• 代理人: 李外

本發(fā)明提供一種雙離子電解液及含有該電解液的水系鋅基雙離子電池，涉及水系電池技術(shù)領(lǐng)域。該雙離子電解液包括A類鋅鹽、B類堿金屬離子鹽和溶劑；所述溶劑與A類鋅鹽的摩爾比為18:1～9:1，所述溶劑與B類堿金屬離子鹽的摩爾比為18:1～18:25。本發(fā)明提供了一種包括上述雙離子電解液的水系鋅基雙離子電池。本發(fā)明的雙離子電池可以在0?2.3V(vs.Zn²⁺/Zn)的電壓區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定工作。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水系電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及雙離子電解液及含有該電解液的水系鋅基雙離子電池。

背景技術(shù)

目前，鉛酸電池和鋰離子電池(LIBs)占據(jù)了能源儲(chǔ)存的主要市場(chǎng)，但由于其75Whkg^-1的低能量密度和鉛的毒性，鉛酸電池不適合大規(guī)模儲(chǔ)能，而且對(duì)環(huán)境危害比較大。LIBs盡管在能量密度方面有所提升，但是由有機(jī)電解液引起的安全問題等，開發(fā)替代鋰離子電池的新一代儲(chǔ)能裝置越來越受到人們的關(guān)注。近年來，由于其安全可靠、無火災(zāi)或爆炸危險(xiǎn)、成本低、生態(tài)友好、理論容量高、長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性好、倍率性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，可充電水系鋅離子電池(AZIBs)正在成為一種可能超越傳統(tǒng)鋰離子技術(shù)的新型儲(chǔ)能系統(tǒng)。

然而，重復(fù)的Zn²⁺或H⁺/Zn²⁺共嵌入通常會(huì)導(dǎo)致大多數(shù)正極材料溶解和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，電池循環(huán)壽命短。此外，與單價(jià)陽離子(H⁺、Li⁺/Na⁺/K⁺)相比，多價(jià)Zn²⁺在水系電解質(zhì)中的水合離子半徑較大，導(dǎo)致擴(kuò)散速度比較慢，電池的倍率性能比較差。為了解決這些問題，研究人員嘗試優(yōu)化正極材料的結(jié)構(gòu)和成分并設(shè)計(jì)電解質(zhì)。除了這些常用方法之外，另一種有效的設(shè)計(jì)是代替遷移速度慢的水合鋅離子，使遷移速度快的單價(jià)陽離子嵌入正極，而鋅負(fù)極可以在充電期間沉積/剝離，從而構(gòu)成獨(dú)特的水系鋅金屬“雙離子電池”(DIB)。電解液作為正極和鋅負(fù)極之間重要的離子傳輸載體，是該類雙離子電池的重要組成部分。通常，該類電解液是由含鋅和其他陽離子鹽的水溶液組成。結(jié)合應(yīng)用于該電池體系的不同種類的正極材料，通過調(diào)節(jié)地電解液中陽離子的種類和濃度，設(shè)計(jì)不同種類的水系鋅基雙離子電池。

與有機(jī)系電解液相比，水系電解液具有低成本、高安全性和高離子電導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于水的穩(wěn)定電化學(xué)窗口(～1.23V,vs.SHE)過窄，事實(shí)上，電極材料的工作電壓應(yīng)位于析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)電位窗之間，而HER和OER的電位與電解液的濃度和組成密切相關(guān)。一般用于雙離子電池的正極材料(如Na₃V₂(PO₄)₃、Li₂Mn₂O₄、NaTiPO₄、K₂MnFe(CN)₆等)通常具有較高的電化學(xué)氧化還原電位，在較寬的電壓區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，因此電解液的電化學(xué)窗口對(duì)電池性能起著至關(guān)重要的作用。此外，作為負(fù)極的金屬Zn在水溶液中存在熱力學(xué)不穩(wěn)定，導(dǎo)致該電池體系仍然面臨許多問題，影響電池的壽命。調(diào)節(jié)電解液的性質(zhì)，包括電解液的濃度和組分，是提高電解液的電化學(xué)窗口和電導(dǎo)率，降低電解液粘度，改善鋅負(fù)極在電解液中的穩(wěn)定性等的重要手段。在長(zhǎng)期的研究中，我們發(fā)現(xiàn)，目前該體系常用的雙離子電解液，為了獲得良好的離子電導(dǎo)率，其溶劑-鹽摩爾比基本在10:1左右。近來，為了降低電化學(xué)反應(yīng)過程中HER和OER的活性，研究人員通常通過提高電解液的濃度，減少游離水分子的存在，提高電解液的電化學(xué)窗口。但這種方式通常導(dǎo)致陽離子與陰離子中的作用增強(qiáng)，電解液黏度急劇增加，在低溫條件下黏度增加更為明顯。這會(huì)直接導(dǎo)致電解液與極片和隔膜的浸潤(rùn)性變差，電解液中的離子在電極材料中的擴(kuò)散速度降低，影響電池的性能。

現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)水系電解液電化學(xué)窗口低，HER和OER副反應(yīng)嚴(yán)重，鋅負(fù)極在電解液中不穩(wěn)定等問題；隨著溶劑-鹽摩爾比降低，陽離子與陰離子中的作用增強(qiáng)，電解液黏度急劇增加，導(dǎo)致電解液與極片和隔膜的浸潤(rùn)性變差，電解液中的離子在電極材料中的擴(kuò)散速度降低，電池性能差。

發(fā)明內(nèi)容