[发明专利]一种水系锌离子储能器件

说明书

本发明属于储能器件领域，尤其涉及一种水系锌离子储能器件，包括正极、负极、隔离膜和电解液，所述电解液包括溶剂和溶质，所述电解液中还包括添加剂，所述添加剂为水溶性螯合剂。相对于现有技术，本发明通过在二次电池体系的锌盐电解液中添加低成本的螯合剂添加剂，一方面螯合分子可以吸附在负极表面，抑制活泼金属同电解液间的副反应，提高耐腐蚀性；另一方面表面的锌离子更难从螯合剂中脱出进行沉积，增大沉积过电位，进而促使活泼金属在沉积过程中具有更均匀的沉积位点，同时水溶性螯合剂分子吸附在锌负极表面可均匀表面局部电荷，进而获得无枝晶的金属负极。

技术领域

本发明属于储能器件技术领域，尤其涉及一种水系锌离子储能器件。

背景技术

目前，ZnSO₄是较为合适的廉价锌盐，其水溶液由于Zn²⁺的水解作用呈现弱酸性，被广泛应用于二次水系锌离子电池中。但是在水系电解液中，由于Zn²⁺与H₂O分子之间存在着较强的溶剂化效应，使得Zn²⁺去溶剂化的时候需要跃过更高的能垒才能将Zn²⁺从硫酸锌-水合离子缔合物([Zn(H₂O)₆²⁺SO₄^2-])溶剂化鞘中脱出进行锌沉积的过程，进而造成低的锌负极库伦效率。同时，Zn²⁺在负极界面脱溶剂化的过程中会在负极表面释放大量的活性水分子，从而造成负极表面副反应加剧，局部pH值升高以及造成电解液的永久性损耗。因此很多措施都致力于从Zn²⁺的去溶剂化这一角度去降低反应能垒。周豪慎团队利用在负极表面构建疏水的金属有机骨架(MOF)层以达到在负极表面保持超饱和电解液层的目的，利用原位拉曼光谱他们发现在MOF通道中迁移的高配位数锌离子络合物不同于体相电解液中的溶剂化结构，说明在到达锌负极的过程中溶剂化鞘不断去溶剂化，形成梯度浓度层(Yang H,Chang Z,Qiao Y,et al.Constructing a super-saturated electrolyte front surfacefor stable rechargeable aqueous zinc batteries[J].Angewandte Chemie-International Edition,2020,59(24):9377-9381.)。基于这一原理，副反应大幅减少，抑制枝晶产生。但是这种涂布刚性保护层的作用对于长期使用而言存在其固有弊端，即保护层的不可逆破坏。基于去溶剂化思维，越来越多科研工作者开始把目光转到电解液添加剂的设计上来。但是目前报道的电解液添加剂的去溶剂化并不彻底，依然会有少量高活性自由水分子在负极释放从而诱发副反应。

在此情况下，经过本发明的发明人的潜心研究和日夜钻研，本发明提出了一种水系锌离子储能器件，其创新性地在电解液中添加水溶性螯合剂，添加剂吸附在负极表面持续产生抗腐蚀和抑制枝晶作用，其所起到的规则化形貌和抗腐蚀作用效果是动态可持续的，从而实现耐腐蚀、无枝晶、长寿命的金属负极。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种低成本的螯合物添加剂用于水系锌离子储能器件电解液，以实现耐腐蚀、无枝晶、长寿命的金属负极。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水系锌离子储能器件，包括正极、负极、隔离膜和电解液，所述电解液包括溶剂和溶质，所述电解液中还包括添加剂，所述添加剂为水溶性螯合剂。

作为本发明水系锌离子储能器件的一种改进，所述水溶性螯合剂为EDTA、NTA、DTPA、HEDTA和、丁二酸、水杨酸、草酸、乙酸、甘氨酸的盐溶液中的至少一种，盐溶液为钠盐溶液或钾盐溶液。

作为本发明水系锌离子储能器件的一种改进，在所述电解液中，所述添加剂的浓度为0.001～0.100M。浓度太高容易有Zn-水溶性螯合剂的沉淀生成。