[发明专利]一种水系锌离子电池电解液添加剂

说明书

本发明公开了一种锌离子电池电解液添加剂，所述添加剂为氨基酸类、脂肽类或是多肽类，所述电解液为锌盐电解液，即锌盐溶于去离子水形成所述电解液。其中锌盐在电解液中的浓度为1‑3mol/L，添加剂添加在电解液中的浓度为0.01‑0.5mol/L。本发明的添加剂中含有碱性氨基酸残基，在弱酸性的电解液中会呈现带正电状态，在锌沉积过程中，带正电的氨基酸，脂肽或多肽会吸附在锌有利形核位点促进锌离子的均匀沉积，实现有利形核位点的全覆盖，实现无枝晶生长。本发明的添加剂同时拥有无机离子和有机聚合物添加剂优势，使得锌负极实现无枝晶生长和腐蚀抑制，提高电池的循环寿命。

技术领域

本发明涉及新能源材料领域，尤其涉及锌离子电池及其电解液相关技术。

背景技术

日益增长的能源消耗和环境问题推动着可再生能源技术（例如风能，太阳能和潮汐能）的高速发展，与之对应人类社会对高效可靠电能储存系统的需求也在与日俱增。在目前可选择的电池系统中，锂离子电池(LIBs)得益于其长循环寿命和较为理想的重量能量密度，长期以来一直是最具有吸引力和广泛使用的电能存储系统。值得一提的是LIBs的重量能量密度已经超过了240Wh kg-1，并且理论上有可能超过500Wh kg-1。尽管如此，LIBs高成本，低安全性和环境不友好等问题也是难以忽视的问题，因此其他非锂体系电力存储系统的研发也越来越得到了重视。

近些年来，水系锌离子电池（ZIBs）因其固有的内在优势得到了脱颖而出。首先金属Zn含量丰富，成本低，无毒且易于加工。其次ZIBs具有理想的高体积能量密度（5851 mA hcm-3），此外锌金属与水有较好的兼容性且2电子的反应使其具有较高的理论容量。基于以上优势，以金属锌为负极，锌离子嵌入材料为正极，中性或弱酸性含锌溶液作为电解液的锌离子电池成为具有大规模应用潜力的新型电力存储系统。

然而，尽管水系锌离子电池普遍使用弱酸性的硫酸锌溶液作为电解液，锌金属在该电解液中的枝晶生长和腐蚀问题仍限制着电池的使用。枝晶的“野蛮”生长不仅会穿透隔膜造成电池短路，当枝晶脱离电极时还会造成“死锌”的生成。此外在锌沉积过程中还会伴随剧烈的析氢反应（HER）。析氢反应的进行引起局部OH-的积累，这进一步导致了副产物的形成。

为了解决锌金属负极枝晶生长以及腐蚀等问题，现阶段科研工作者们已经进行了大量的工作，主要包括负极表面改性，锌金属结构改性和电解液优化三种。其中负极表面改性主要指在锌金属表面构建有机/无机材料涂层，来隔绝电极与电解液的接触并起均匀离子流的作用。但是在实际操作过程中，构建的表面涂层往往存在不均匀的问题，没法完全隔绝电解液的浸润。此外在锌不断的沉积/剥离过程中，保护涂层往往没法适应锌金属的体积变化，最后导致涂层剥落或损坏。结构设计改性的核心是增加电极的比表面积，从而降低局部交换电流密度，进而促进锌离子的均匀沉积。但是3D结构的设计往往伴随着复杂的制备过程，同时结构又相对脆弱，在循环过程中易受到破坏，而且高比表面的暴露又不可避免的增加了腐蚀的风险。从实际角度出发，电解液添加剂进行性能改性是最简易可行的方法。

目前常用的电解液添加剂主要为聚合物添加剂和金属离子添加剂两种。在锌沉积过程中，聚合物可以选择性吸附在锌有利形核位点，进而促进锌离子的均匀沉积，避免枝晶的长大。除了聚合物外，金属离子也会吸附在Zn负极表面，通过静电排斥作用进而促进锌离子的均匀沉积。对于聚合物电解液添加剂，极性诱导的分子吸附结合力过弱，不足以实现位点的彻底覆盖。而对于金属离子，其表面吸附对抑制析氢反应(HER)收效甚微。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟提供一种电解液添加剂，同时拥有无机离子和有机聚合物添加剂的优势，使得锌负极实现无枝晶生长和腐蚀抑制。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案。

一种水系锌离子电池用电解液添加剂，其由下列通式表示: