[发明专利]一种烷基糖苷类水系锌离子电池电解液及其制备方法和应用

说明书

本发明属于水系电池技术领域，具体涉及一种烷基糖苷类水系锌离子电池电解液及其制备方法和应用。所述电解液包括溶剂水、电解质和添加剂；所述添加剂为烷基糖苷。本发明电解液中添加了与锌离子和锌金属(002)晶面双重吸附功能的烷基糖苷添加剂，该添加剂不仅能够打破传统水系电解液中[Zn(H₂O)₆]²⁺的水鞘层与锌离子紧密结合，阻止了水分子与锌金属接触从而缓解了锌金属析氢腐蚀反应，而且还能够与锌金属(002)晶面有较(100)晶面高的吸附能，从而引导锌离子更多地在(002)晶面还原和沉积，而锌原子在锌金属(002)晶面主要水平生长，因此避免了锌枝晶的生成。

技术领域

本发明属于水系电池技术领域，具体涉及一种烷基糖苷类水系锌离子电池电解液及其制备方法和应用。

背景技术

锌金属具有较高的理论容量(5855mAh cm^-2和820mAh g^-1)、较低的氧化还原电位(与标准氢电极相比为-0.76V)、较高的储量、水相容性和安全性，被选为水系电池的理想负极材料。电解液是锌离子电池的重要组成部分，对锌金属负极的电化学可逆性有重要影响。首先，电解液/电极界面局部电场分布的不均匀不可避免地会导致锌的无序沉积，形成锌枝晶，从而缩短电池的使用寿命，并带来其他问题。此外，传统的水系电解液中的锌离子以[Zn(H₂O)₆]²⁺的形式存在。锌离子的溶剂化结构中的水分子具有化学活性，在电化学反应中容易在锌金属表面发生析氢，造成电极界面附近的pH值升高，腐蚀锌金属电极，从而生成绝缘副产物。

目前，在解决可充电电池金属负极中常见的枝晶生长和界面不稳定问题方面已经取得了显著的进展。然而，上述策略无法有效解决锌离子电池中独特的溶剂水副反应问题。针对这个问题，各种添加剂，如高浓度电解质盐、有机化合物、无机盐等，被引入电解液。然而，大多数添加剂存在价格高、危险性高和环境污染的问题，这与锌离子电池低成本和高安全的优势背道而驰。因此，寻找一种低成本、无毒、储量丰富的添加剂来优化锌离子电池电解液具有十分重要的意义。

发明内容

本发明针对锌金属负极在锌离子电池水系电解液中易生长锌枝晶和发生析氢腐蚀反应，最终导致电池短路及循环寿命缩短等问题，提供了一种糖苷类水系锌离子电池的电解液添加剂。烷基糖苷在锌离子电池水系电解液中，不仅能够打破水合锌离子的溶剂鞘与锌离子结合，而且能够与锌金属中水平沉积的(002)晶面有更强的吸附作用。因此，在烷基糖苷添加剂的双重作用下，锌离子更容易在(002)晶面还原和沉积，避免锌枝晶的生成，而造成析氢腐蚀反应的水分子则很难到达锌金属表面，也就能够实现减少锌金属表面副产物和腐蚀反应的发生。因此，经烷基糖苷添加剂修饰的电解液使得锌离子电池的循环性能和抗腐蚀能力均有显著提高。同时，本发明还实现了生物质基烷基糖苷的高值化利用。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

本发明一方面提供一种烷基糖苷类水系锌离子电池电解液，所述电解液包括溶剂水、电解质和添加剂；所述添加剂为烷基糖苷，其结构通式如下表示：

其中：n为聚合度，R为烷基。

上述技术方案中，进一步地，所述烷基糖苷中，聚合度n为1～3。

上述技术方案中，进一步地，所述烷基糖苷中，R为C8～C16的烷基。

上述技术方案中，进一步地，所述电解液中，添加剂的质量分数为0.01～30％。

上述技术方案中，进一步地，所述电解质为硫酸锌、氯化锌、三氟甲烷磺酸锌中的任意一种或两种以上的组合。

上述技术方案中，进一步地，所述电解液中，电解质的摩尔浓度为1～3mol/L。