[發明專利]一種水系鋅離子電池電解液及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202210646131.1
• 申請日: 2022-06-08
• 公開（公告）號: CN114976295A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 譚學軍;黃志梅;梁斌;黃云輝
• 申請（專利權）人: 邁奇化學股份有限公司
• 主分類號: H01M10/36
• 分類號: H01M10/36;H01M10/38;H01M12/06
• 代理公司: 蘇州中合知識產權代理事務所(普通合伙) 32266
• 代理人: 劉召民

本發明公開了一種水系鋅離子電池電解液及其制備方法與應用。一種水系鋅離子電池電解液包含水、鋅鹽以及共溶劑，所述共溶劑是分子結構中含有脲基、酰胺或磷酰胺結構單元的極性有機溶劑。制備方法包括將鋅鹽溶解在去離子水中，攪拌，待鋅鹽完全溶解之后加入相應的共溶劑，繼續攪拌，直至形成均勻且透明的水系鋅離子電池電解液。本發明引入的共溶劑可改善鋅離子的溶劑化結構，降低鋅離子的脫溶劑化勢壘，有效抑制鋅枝晶，避免析氫反應對金屬鋅的腐蝕。因此，本發明所提供的電解液能有效調控鋅離子的溶劑化環境，提高鋅金屬的穩定性以及電池的電化學性能，在水系鋅離子電池領域具有良好的應用前景。

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電解液及其制備方法與應用。

背景技術

水系鋅離子電池使用的鋅金屬負極因其儲備豐富、成本低、環境友好以及運行安全等優勢，在大規模儲能方面具有較大的應用潛力。然而，以金屬鋅作為負極材料在酸性或中性環境中進行電化學循環時，不受控制的鋅枝晶生長可能會刺穿隔膜導致電池短路，并且枝晶傾向于優先從根部溶解，導致鋅枝晶與主體分離，從而形成惰性的“死鋅”，將加速活性鋅的消耗。此外，鋅金屬是無自支撐的負極，會在放電時完全溶解，而在后續充電時在負極表面重新分布，導致負極表面產生裂紋，這種結構上的損傷會大大增加電池失效的風險。另外，鋅金屬不近容易發生鋅枝晶，析氫以及表面腐蝕等問題也較為嚴重，與其它正極材料如MnO₂、V₂O₅、磷酸釩鈉或者硫正極匹配時，嚴重影響其整體的電化學性能。

為此，為了改善鋅負極在水系電解質中的穩定性，不同的改進方法包括：①在鋅表面涂覆物理保護層，如聚酰亞胺、聚氧化乙烯、石墨烯、或者高導電的Mxene等，隔絕水與鋅的直接接觸；②與鋅金屬形成合金，降低析氫電位；③構筑三維導電網絡誘導鋅的沉積，均勻電流密度，從而改善鋅的生長方向或者沉積形貌。④引入電解液添加劑，如葡萄糖、木質素等多羥基生物質大分子，該類物質對鋅離子具有較強的吸附作用，誘導鋅的沉積，降低鋅的成核過電位，從而達到抑制鋅腐蝕的目的。

上述方法雖然在一定程度上可改善鋅金屬在電解液中的穩定性，但會帶來一些其它副作用，如方法①降低了電池的能量密度，而且在不斷的循環過程中，保護膜容易發生脫落；方法②形成合金可以均勻鋅沉積的電流密度，可一定程度上降低鋅的成核電位，但并未從根本上調整鋅的沉積方向或者抑制鋅枝晶；方法③通過均勻鋅沉積的電流密度，但同時增加了鋅的反應活性面積，進一步的增加了電池的副反應。值得注意的是鋅枝晶的剛性模量遠遠高于鋰枝晶，如果不能從根本上調控鋅沿著某一晶面沉積，調整鋅的生長方向的話，將進一步增加電池失效風險。

發明內容

針對以上技術的缺陷或改進需求，本發明提供了一種水系鋅離子電池電解液及其制備方法與應用，通過電解液優化提高鋅金屬穩定的方法簡單，無需改變現有的生產工藝，更符合大規模產業化應用的要求。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

本發明提供了一種水系鋅離子電池電解液，包含水、鋅鹽以及共溶劑，所述共溶劑是分子結構中含有脲基(-NC＝ON-)、酰胺(-NC＝O-)或磷酰胺(-NP＝O-)結構單元的極性有機溶劑。

進一步地，所述共溶劑在電解液中的體積分數為5％～40％。

進一步地，所述鋅鹽在電解液中的濃度為1～4mol/L。

進一步地，所述共溶劑主要包括N，N-二甲基乙酰胺(NMA)、六甲基磷酰三胺(HMPA)、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮(DMI)、1,3-二甲基-3,4,5,6-四氫-2-嘧啶酮(DMPU)、四甲基脲(TMU)中的一種或幾種。

進一步地，所述鋅鹽主要包括三氟甲烷磺酸鋅、四氟硼酸鋅、雙(三氟甲烷磺?；?酰亞胺鋅、硫酸鋅、氯化鋅、硼酸鋅、硝酸鋅中的一種或幾種。