CN102769151A

CN102769151A - 一种水系锂锌电池的电解液

Info

Publication number: CN102769151A
Application number: CN2012102864894A
Authority: CN
Inventors: 刘昊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2012-11-07

Abstract

本发明公开了一种用于可充电水系锂锌电池的电解液。目前的水系锂锌电池在长期充放电过程中，伴随着锌在负极一侧的可逆氧化还原反应，非常容易出现枝晶态的锌沉积，从而造成隔膜被刺穿，电池短路而失效。本发明电解液的组成包括水、电解质盐和镀锌添加剂；所述的电解质盐为可溶于水的锌盐和锂盐，电解液中锂离子的浓度和锌离子浓度均为0.5-5mol/L。本发明的电解液使水系锂锌电池在长期充放电过程中仍可获得均匀光滑的锌沉积效果，可逆性好，有效避免了锌枝晶的产生，极大的减小了电池短路的概率。

Description

一种水系锂锌电池的电解液

技术领域

本发明涉及电化学储能领域，具体地说是一种可充电水系锂锌电池的电解液。

背景技术

铅酸电池作为一项有百年历史的成熟的电池技术，占据着汽车启动电瓶、电动自行车、UPS等储能领域的绝对市场份额，2010全球年销售额达到350亿美元。尽管铅酸电池的循环使用寿命不长（300次左右）、能量密度也不高（30~45Wh/kg），但其价格低廉，性价比非常高。因此，近二十年来出现的镍氢电池、锂离子电池、钒液流电池、飞轮电池、钠硫电池等众多新的二次电池，均无法在储能领域取代铅酸电池。

最近一种新型电池的出现将有可能改变储能电池的格局。加拿大滑铁卢大学于2012年6月在电池期刊《Journal of Power Source》公开了一种基于电解液内部离子交换工作原理的新型水系二次电池“Rechargeable Hybrid Aqueous Batteries”，并且提供了一种性能优异的可充电水系锂锌电池应用实例：以涂在石墨箔上的尖晶石锰酸锂材料作为正极，以不锈钢为惰性负极，以溶解有4mol/L的ZnCl₂和3mol/LiCl的水溶液为电解液，AGM多孔玻璃纤维纸作为隔膜，获得了一种平均工作电压在1.8V、循环使用寿命超过4000次的可充电电池，该电池的理论能量密度为160Wh/kg，预计实际能量密度可达50～80Wh/kg，经测算其材料成本也低于铅酸电池。综上所述，水系锂锌电池非常有希望成为替代铅酸电池的下一代储能电池，具有极大的商业价值。

在目前水系锂锌电池商业化进程中，电解液是一项关键技术。水系锂锌电池在长期充放电过程中，伴随着锌在负极一侧的可逆氧化还原反应，即锌的反复溶解和沉积，非常容易出现枝晶态的锌沉积，从而造成隔膜被刺穿，电池短路而失效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述水系锂锌电池使用过程中容易出现枝晶态的缺陷，提供一种适合用于可充电水系锂锌电池的电解液，其使水系锂锌电池在长期充放电过程中仍可获得均匀光滑的锌沉积效果和好的可逆性，有效避免锌枝晶的产生，极大的减小电池短路的概率。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种水系锂锌电池的电解液，其特征在于，所述电解液的组成包括水、电解质盐和镀锌添加剂；所述的电解质盐为可溶于水的锌盐和锂盐，电解液中锂离子的浓度和锌离子浓度均为0.5-5mol/L。

在现有水系锂锌电池的电解液中，由于没有添加任何有助于锌均匀沉积的助剂，非常容易出现枝晶态的锌沉积，从而造成隔膜被刺穿，电池短路失效。本发明采用镀锌添加剂作为有助于锌均匀沉积的助剂，使水系锂锌电池在长期充放电过程中仍可获得均匀光滑的锌沉积效果，可逆性好，有效避免了锌枝晶的产生，极大的减小了电池短路的概率。

电镀行业虽然有较为成熟的镀锌技术，但均属于一次镀锌，而水系锂锌电池中的镀锌是反复镀锌，且需要很好的可逆性，本发明采用镀锌添加剂和其他组分来组成电解液，完全满足了水系锂锌电池的工作要求，目前尚无在水系锂锌电池电解液中添加镀锌添加剂的相关报道。

所述的镀锌添加剂选用4-苯基-3-丁烯-2-酮、硫脲、聚丙烯酰胺、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇中的一种或二种以上的混合物，优选为前述五种物质中的二种以上的混合物（可使电池负极表面光滑），当然也可以选用现有的其他镀锌添加剂。

作为优选，所述镀锌添加剂的浓度为0.05-5g/L，也可以选用与其相近的浓度。

本发明具有的有益效果：本发明的电解液使水系锂锌电池在长期充放电过程中仍可获得均匀光滑的锌沉积效果，可逆性好，有效避免了锌枝晶的产生，极大的减小了电池短路的概率。

具体实施方式

下面结合实施例，更具体地说明本发明的内容。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

实施例1

以尖晶石LiMn₂O₄为正极活性物质，超导电碳黑为导电剂，高分子均聚物PVDF作为粘接剂，按照92：4：4的比例均匀混合，并分散到在NMP溶液中制作成浆料，浆料中固液质量比为1:1，然后将制作好的浆料涂覆在上述表面处理过的石墨箔上，涂覆厚度为50μm，烘干后裁切成需要的尺寸作为正极极片。负极为铜箔。隔膜为AGM玻璃纤维隔膜。电解液为含有2mol/L锂离子和2mol/L锌离子的氯化锂和氯化锌的混合水溶液，4-苯基-3-丁烯-2-酮作为镀锌添加剂溶于电解液中，浓度为0.05g/L。

将上述正极、负极、隔膜组装成电池并加入电解液，在电压范围1.5-2.1V之间、充放电电流为0.5C条件下进行循环测试，循环100周后在满电状态下停止，观察负极铜箔上面的锌沉积状态。

实施例2

电池制作与测试方法同实施例1，电解液中的镀锌添加剂为4-苯基-3-丁烯-2-酮，浓度为1g/L。

实施例3

电池制作与测试方法同实施例1，电解液中的镀锌添加剂为4-苯基-3-丁烯-2-酮，浓度为5g/L。

实施例4

电池制作与测试方法同实施例1，电解液中的镀锌添加剂为硫脲，浓度为0.2g/L。

实施例5

电池制作与测试方法同实施例1，电解液中的镀锌添加剂为聚丙烯酰胺，浓度为0.5g/L。

实施例6

电池制作与测试方法同实施例1，电解液中的镀锌添加剂为十六烷基三甲基溴化铵，浓度为2g/L。

实施例7

电池制作与测试方法同实施例1，电解液中的镀锌添加剂为聚乙二醇，浓度为0.8g/L。

实施例8

电池制作与测试方法同实施例1，电解液中的镀锌添加剂为硫脲和4-苯基-3-丁烯-2-酮两种的混合物，浓度均为0.8g/L。

实施例9

电池制作与测试方法同实施例1，电解液中的镀锌添加剂为十六烷基三甲基溴化铵和聚乙二醇两种的混合物，浓度均为0.5g/L。

实施例10

电池制作与测试方法同实施例1，电解液中的镀锌添加剂为4-苯基-3-丁烯-2-酮、硫脲和聚乙二醇三种的混合物，浓度均为0.3g/L。

实施例11

电池制作与测试方法同实施例1，电解液中的镀锌添加剂为十六烷基三甲基溴化铵、硫脲和聚乙二醇三种的混合物，浓度均为0.3g/L。

实施例12

电池制作与测试方法同实施例1，电解液中的镀锌添加剂为4-苯基-3-丁烯-2-酮、硫脲、聚丙烯酰胺和十六烷基三甲基溴化铵四种的混合物，浓度均为0.3g/L。

实施效果比较：

实施例	负极表面状态
		1	无枝晶，表面平整，略有粗糙感。
2	无枝晶，表面平整。
		3	无枝晶，表面平整。
4	无枝晶，表面平整。
		5	无枝晶，表面平整。
6	无枝晶，表面平整。
		7	无枝晶，表面平整。
8	无枝晶，表面光滑。
		9	无枝晶，表面光滑。
10	无枝晶，表面光滑。
		11	无枝晶，表面光滑。
12	无枝晶，表面光滑。

以上实施例均成功避免了锌枝晶的产生，符合电池产品的使用要求。

尽管发明人已经对本发明的技术方案做了较为详细的阐述和列举，应当理解，对于本领域一个熟练的技术人员来说，对上述实施例作出修改和/或变通或者采用等同的替代方案是显然的，都不能脱离本发明精神的实质，本发明中出现的术语用于对本发明技术方案的阐述和理解，并不能构成对本发明的限制。

Claims

1.一种水系锂锌电池的电解液，其特征在于，所述电解液的组成包括水、电解质盐和镀锌添加剂；所述的电解质盐为可溶于水的锌盐和锂盐，电解液中锂离子的浓度和锌离子浓度均为0.5-5mol/L。

2.根据权利要求1所述的水系锂锌电池的电解液，其特征在于，所述的镀锌添加剂选用4-苯基-3-丁烯-2-酮、硫脲、聚丙烯酰胺、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇中的一种或二种以上的混合物。

3.根据权利要求1或2所述的水系锂锌电池的电解液，其特征在于，所述镀锌添加剂的浓度为0.05-5g/L。