[发明专利]一种水系锌离子电池及其电解液

说明书

本发明公开了一种水系锌离子电池及其电解液，包括电解液、正极、负极与隔膜，其特征在于：所述电解液包含锌盐、水溶剂和含多个配位基团的生物质氨基酸作为添加剂，所述正极为不锈钢箔，所述负极为锌片，所述隔膜为玻璃纤维隔膜，本发明与现有技术相比的优点在于：本发明的水系锌离子电池电解液使得锌金属负极表面平整，无明显的针状凸起，从根本上抑制了锌枝晶的产生，有效地缓解了锌负极的腐蚀和钝化，显著提高了水系锌离子电池的循环寿命与安全性能，此外，本发明所提供的电解液添加剂价格低廉、来源广泛且绿色环保，有助于开发性能优异、安全环保且成本低廉的水系锌离子电池电解液及水系锌离子电池。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体是指一种水系锌离子电池及其电解液。

背景技术

近年来，锂离子电池因其较高的能量密度、无记忆效应、长的循环寿命、轻巧便携等优点被广泛应用于可移动设备、电动汽车以及大规模的储能系统中，但是长期存在的有机电解液导致的安全问题、有限的锂资源以及较高的成本严重地限制了金属基二次电池的发展，新一代的以水系锌离子电池为代表的多价离子电池凭借其来源丰富、价格低廉、化学稳定性好、氧化还原电位低(-0.76Vvs.SHE)等优点，被认为是未来大规模储能系统中最有潜力的候选者。

但是锌金属负极存在锌枝晶生长和腐蚀的缺陷，以及由于热力学活性导致的钝化问题，在充放电过程中，锌枝晶的生成源于锌负极表面发生得不均匀的锌离子的剥离/沉积过程，通常锌枝晶呈针状，其尖端在后续反应中充当电荷中心，引发尖端效应，带来持续的电荷积累，进一步加剧锌枝晶的生长，导致容量衰减，最终引发短路。锌腐蚀的过程主要归因于电化学反应，即在放电时，锌会发生剥离，生成可溶的Zn²⁺，溶解到液相电解质中。同时，在局部区域发生的析氢副反应会导致该区域OH^－浓度升高。Zn²⁺与OH^-、SO4^2－发生的副反应会生成氢氧化锌及碱式硫酸锌等副产物，这些副产物会钝化锌负极，同时，由于所消耗的电解质是有限的，这种不可逆的腐蚀和钝化往往会导致电池循环性能的急剧下降。

为了解决锌的不均匀剥离/沉积导致的锌枝晶和自腐蚀等问题，目前的最为常见的方法大多集中在锌负极表面地修饰和改性，即在锌负极表面涂覆一层非常薄的材料来影响固液界面反应，例如：将纳米Au颗粒分散在锌负极表面作为锌离子沉积“种子”，即锌离子的非均相形核中心，引导负极上形成更小、更均匀的锌阵列。在反复循环过程中，形成的高密度锌阵列取代了大而不均匀的锌枝晶，有效抑制了锌电极存在的“尖端效应”，解决了锌枝晶的生长而引起的短路问题，但是，上面提到的方法都并不能根本上解决溶液不均匀的锌沉积问题，不能从根本上防止锌枝晶的形成，此外还忽略了锌电极的腐蚀问题，它会严重影响电池的循环寿命及容量保持能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种有效地解决锌负极的腐蚀和锌枝晶等问题，并能显著提高循环稳定性和电池的使用寿命的一种水系锌离子电池及其电解液。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种水系锌离子电池及其电解液，包括电解液、正极、负极与隔膜，其特征在于：所述电解液包含锌盐、水溶剂和含多个配位基团的生物质氨基酸作为添加剂，所述正极为不锈钢箔，所述负极为锌片，所述隔膜为玻璃纤维隔膜。

作为改进，所述锌盐选自硫酸锌、氯化锌、硝酸锌、三氟甲烷磺酸锌、乙酸锌中的一种或多种。

作为改进，所述锌盐的浓度为1-3mol/L。

作为改进，所述含多个配位基团的生物质氨基酸作为添加剂为可选自苯丙氨酸、丝氨酸、亮氨酸、精氨酸、组氨酸、甲硫氨酸中的一种或多种。

作为改进，所述添加剂的质量相对于所述水溶剂体积的比值为0.5-10mg/mL。

作为改进，所述正极涂覆有五氧化二钒。