[发明专利]一种可抑制锌枝晶和副反应的水系锌离子电池电解液及其应用

说明书

本发明公开了一种可抑制锌枝晶和副反应的水系锌离子电池电解液及其应用，所述水系锌离子电池电解液包括硫酸锌，去离子水，以及有机添加剂三丙二醇、丙二醇。本发明通过改变三丙二醇、丙二醇添加剂的体积，获得不同体积比的混合电解液。本发明产物制备方法简单，安全性好，所用原料廉价易得，易于大规模生产。使用含有三丙二醇、丙二醇添加剂的电解液可以有效提高金属锌负极的可逆性，减少电池副反应的发生，获得寿命长、性能优异、安全性高的水系锌离子电池。

技术领域

本发明涉及一种可抑制锌枝晶和副反应的水系锌离子电池电解液及其应用，属于水系锌离子电池电解质添加剂领域。

背景技术

随着当今世界的快速发展，人们的生活越来越离不开能源，因此寻求可再生能源和清洁能源非常重要，发展电化学性能优异、环境污染小的二次电池储能技术是应对当今世界对能源需求暴涨的重要手段。锂离子电池(LIBs)具有高能量密度、高循环寿命、技术成熟等优点，广泛应用于大型储能设备、新能源汽车、航空航天等领域。但近年来，随着锂资源的不断减少，导致锂离子电池的成本逐步上升，而锌金属资源含量丰富，锌离子电池与锂离子电池有着相似的电化学性能，激发了人们对锌离子电池电解液的广泛研究。

发明内容

本发明针对上述现有技术的问题，提供了一种可抑制锌枝晶和副反应的水系锌离子电池电解液及其应用，旨在提高电池的电化学性能和寿命。

三丙二醇、丙二醇作为二元醇，可以通过羟基官能团打破水分子之间的氢键，通过氢键作用破坏Zn²⁺周围6个水分子的稳定溶剂化层结构，减少在锌沉积过程中发生的析氢反应，从而避免了副反应的产生和局部PH值的变化。另外，与水相比，三丙二醇和丙二醇在锌箔表面有着很好的吸附作用，可以在锌箔表面调控锌沉积的方向，打造更平整的金属锌负极，抑制锌枝晶的进一步恶化。三丙二醇比丙二醇的链更长，所以在锌片表面的吸附作用更强，因此获得了更好的负极保护作用。使用三丙二醇、丙二醇添加剂的电解液可以获得寿命长、安全性高、库伦效率高等优异的电化学性能。

本发明可抑制锌枝晶和副反应的水系锌离子电池电解液，包括硫酸锌，去离子水，以及有机添加剂三丙二醇或丙二醇。

所述有机添加剂在电解液中的体积比≤10％。

本发明通过控制三丙二醇、丙二醇的含量来调控电解液体系中Zn²⁺的溶剂化层结构，三丙二醇、丙二醇加入溶剂化层促使Zn²⁺周围的配位水减少，抑制伴随着Zn²⁺成核过程的副反应发生(如H₂的析出导致局部PH值升高，生成副产物Zn₄SO₄(OH)₆·xH₂O)。电解液体系中三丙二醇、丙二醇的含量越高，破坏水分之间氢键的效果就越好，Zn²⁺溶剂化结构的变化就越大。但是当三丙二醇、丙二醇的含量增大，Zn²⁺的溶剂化层半径越大，锌沉积时Zn²⁺离电极表面的距离越远。当三丙二醇、丙二醇的含量足够高，溶剂化层的半径足够大时，Zn²⁺的成核就会变得相对困难。因此，通过调整出合适的三丙二醇、丙二醇的含量来调控适合锌成核的的溶剂化层半径非常重要。本发明公布了10％及10％以下体积浓度的三丙二醇、丙二醇

三丙二醇、丙二醇在锌片表面的吸附层一方面可以作为静电屏蔽层来抑制“尖端效应”，防止锌枝晶的严重恶化。过多的枝晶会提供更大的金属表面积，从而提供更多的析氢位点，导致副产物的激增；另一方面，三丙二醇、丙二醇吸附在锌片表面的吸附层可以有效调控Zn²⁺的沉积方向，更多的Zn²⁺可以沿着002晶面沉积，避免大量的Zn²⁺垂直沉积在锌片表面，使得Zn²⁺沉积地更密实、更平坦，有效地解决了锌枝晶恶化的问题。