[发明专利]一种水系锌离子电池电解液及其应用

说明书

本申请公开了一种水系锌离子电池电解液及其应用。本申请的水系锌离子电池电解液中含有溶剂水、高浓度电解质盐和锌盐；锌盐为水溶性的盐；高浓度电解质盐为双氟磺酰亚胺钾和/或三氟甲磺酸钾，且其质量摩尔浓度不小于10mol/kg。本申请的电解液，由于添加有高浓度双氟磺酰亚胺钾和/或三氟甲磺酸钾，其强烈的溶剂化作用，会消耗电解液中大量水分子，降低锌离子的水合作用，抑制锌离子在溶解与沉积中形成锌枝晶；此外高浓度电解质盐与溶剂水分子强烈的溶剂化作用，会降低水分子的电化学活性，提高电解液的电化学窗口，起到降低析氢反应和减少锌的溶解效果，抑制水分子在电极表面分解，降低锌负极的腐蚀溶解，改善水系锌离子电池循环寿命。

技术领域

本申请涉及水系锌离子电池领域，特别是涉及一种水系锌离子电池电解液及其应用。

背景技术

以水基电解质为基础的锌离子电池是一种低成本、高安全性、高性价比的新型储能系统，并且有望替代现有的储能技术。目前水系锌离子电池电解液主要有硫酸锌、三氟甲烷磺酸锌、高氯酸锌、氯化锌、乙酸锌和硝酸锌等。其中ZnSO₄的缺点主要表现为正极会产生放电副产物Zn₄(OH)₆SO₄·nH₂O，并且负极会有比较明显的锌枝晶问题。Zn(CF₃SO₃)₂的主要缺点是价格昂贵，成本较高；并且，其溶解度较低，导致电解液电压窗口偏低。Zn(ClO₄)₂的主要缺点就是具有较高的过电势。ZnCl₂和Zn(CH₃COO)₂的主要缺点是其阴离子稳定性差，从而导致电池的电化学性能不佳，库伦效率低。Zn(NO₃)₂的主要缺点是其硝酸根具有强氧化性，会导致锌负极性能退化，进而导致负极库伦效率低。

因此，如何有效的降低锌的腐蚀溶解、抑制锌枝晶的生长、改善水系锌离子电池的循环寿命，仍然是水系锌离子电池的研究重点和难点。

发明内容

本申请的目的是提供一种改进的水系锌离子电池电解液及其应用。

本申请采用了以下技术方案：

本申请的第一方面公开了一种水系锌离子电池电解液，该电解液中含有水、高浓度电解质盐和锌盐；其中，水为电解液的溶剂，锌盐为水溶性的盐；高浓度电解质盐为双氟磺酰亚胺钾和/或三氟甲磺酸钾，并且，高浓度电解质盐的质量摩尔浓度不小于10mol/kg。可以理解，本申请的电解液中，高浓度电解质盐可以是质量摩尔浓度不小于10mol/kg的双氟磺酰亚胺钾(F₂NO₄S₂K，缩写KFSI)；或者质量摩尔浓度不小于10mol/kg的三氟甲磺酸钾(CF₃KO₃S)；或者电解液中同时含有双氟磺酰亚胺钾和三氟甲磺酸钾，两者的总质量摩尔浓度不小于10mol/kg。

需要说明的是，本申请的电解液中溶解有高浓度的双氟磺酰亚胺钾和/或三氟甲磺酸钾，即质量摩尔浓度不小于10mol/kg；高浓度的双氟磺酰亚胺钾和/或三氟甲磺酸钾与溶剂水分子强烈的溶剂化作用，会消耗电解液中大量的水分子，降低水分子的电化学活性，抑制水分子在电极表面分解，降低锌离子的水合作用，降低锌负极的腐蚀溶解，抑制锌离子在溶解与沉积中形成锌枝晶；并且，高浓度的双氟磺酰亚胺钾和/或三氟甲磺酸钾与溶剂水分子强烈的溶剂化作用，在降低水分子的电化学活性的同时，起到提高电解液的电化学窗口、降低析氢反应和减少锌溶解的效果，能够有效的改善水系锌离子电池的循环寿命。