CN107634266A - 一种锌二次电池用阻燃性电解液 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锌二次电池用阻燃性电解液，该电解液为含有机溶剂和锌盐的液体，所述的有机溶剂为磷酸酯类溶剂或磷酸酯基混合溶剂。与现有技术相比，本发明中的磷酸酯类物质作为表面活性剂，使得金属锌在负极表面均匀沉积，沉积形貌为纳米片或纳米颗粒，无枝晶，库伦效率接近100％，并且循环稳定，实现电池长寿命；磷酸酯类物质既作为溶解锌盐的溶剂，又作为阻燃剂，消除了有机电解液燃烧隐患，极大地提升电池安全性能，实现电池安全性能和电化学性能协同提升的目的。

Description

一种锌二次电池用阻燃性电解液
技术领域
本发明涉及一种二次电池电解液，尤其是涉及一种锌二次电池用阻燃性电解液。
背景技术
金属锌资源丰富、价格低廉、绿色环保、理论比容量高(近820mAh/g)，且循环稳定性较好，目前已经在锌锰、锌银、锌镍、锌空等碱性电池中作为负极材料得到了广泛研究与应用。但是二次电池中的锌电极也存在较大的问题，体现在易生成枝晶、变形、腐蚀及钝化等现象，循环过程中导致活性物质利用率降低、电池的容量下降、性能变差。因此，如何解决上述问题以提高锌电极的性能一直是研究的重点。
通常锌二次电池采用的电解液为高浓度KOH水溶液，该体系中对锌负极腐蚀性强，并且循环过程中易形成锌枝晶。US5460899公开了一种锌负极，该负极含有锌活性物质、Ca(OH)2和导电剂，所述导电剂为金属氧化物PbO、Bi2O3、CdO、Ga2O3和Ti2O3；US6797433B2公开一种锌电极组合物，含有氧化锌、粘合剂和氟化物，氟化物选自氟化铵、氟化镁、氟化钙、氟化锶、氟化钡、氟化钛和氟化铝中的一种或几种。上述添加剂在一定程度上能够一直电池放电容量的下降，但上述添加剂例如氢氧化钙或氟化物导电性差，增加电极内阻。
采用有机溶剂替代或者部分替代水，电解液pH控制在中性附近，可以较好地解决金属锌被腐蚀问题(Acs Applied Materials&Interfaces 2016,8:3021)，但有机电解液体系中金属锌枝晶严重，容易引起电池短路，并且常规有机溶剂存在易燃烧，电池存在严重安全隐患。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种锌二次电池用阻燃性电解液。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种锌二次电池用阻燃性电解液，为含有机溶剂和锌盐的液体，所述的有机溶剂为磷酸酯类溶剂或磷酸酯基混合溶剂。
优选地，所述的磷酸酯类溶剂采用磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三丙酯、磷酸三丁酯、磷酸三异丁酯、甲基磷酸二甲酯和磷酸三苯酯溶剂中的一种或几种。
优选地，所述的磷酸酯基混合溶剂采用磷酸酯类与乙腈、二甲基甲酰胺、二甲亚砜、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯和水中的一种或几种的混合。
优选地，所述的磷酸酯基混合溶剂中磷酸酯类的重量含量为5％-90wt％。
优选地，所述的磷酸酯基混合溶剂中磷酸酯类的重量含量为20％-60wt％。
优选地，所述锌盐为硝酸锌、三氟甲基磺酸锌、乙酸锌、双三氟甲烷磺酰亚胺锌、双氟磺酰亚胺锌、二氟草酸硼酸锌、二草酸硼酸锌、四氟硼酸锌、高氯酸锌和硫酸锌中的一种或几种。
优选地，所述的锌盐在电解液的浓度为0.1～0.5mol/L。
与现有技术相比，本发明中的磷酸酯类物质作为表面活性剂，使得金属锌在负极表面均匀沉积，沉积形貌为纳米片或纳米颗粒，无枝晶，库伦效率接近100％，并且循环稳定，实现电池长寿命；磷酸酯类物质既作为溶解锌盐的溶剂，又作为阻燃剂，消除了有机电解液燃烧隐患，极大地提升电池安全性能，实现电池安全性能和电化学性能协同提升的目的。
附图说明
图1为实施例1中采用磷酸三甲酯为有机溶剂时电解液的燃烧情况(不燃)；
图2为实施例1中采用磷酸三甲酯为有机溶剂时金属锌负极沉积/剥离曲线；
图3为实施例1中采用磷酸三甲酯为有机溶剂时金属锌负极沉积层形貌图；
图4为实施例2中采用磷酸三乙酯为有机溶剂时金属锌负极沉积/剥离曲线；
图5为实施例3中采用磷酸三甲酯和乙腈混合溶剂(磷酸三甲酯重量含量为5％)时金属锌负极沉积/剥离曲线；
图6为实施例4中采用磷酸三甲酯和乙腈混合溶剂(磷酸三甲酯重量含量为50％)时金属锌负极沉积/剥离曲线；
图7为实施例5中采用磷酸三乙酯和水混合溶剂(磷酸三乙酯重量含量为90％)时金属锌负极沉积层形貌图；
图8为实施例1中金属锌负极沉积/剥离库伦效率，并与采用乙腈+0.5mol/L三氟甲基磺酸锌、水+0.5mol/L三氟甲基磺酸锌两种电解液时金属锌负极沉积/剥离库伦效率进行对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种锌二次电池用阻燃性电解液，为含有机溶剂和锌盐的液体，其中，有机溶剂为磷酸三甲酯，锌盐为三氟甲基磺酸锌，电解液中锌盐的溶度为0.5mol/L。
按配比在磷酸三甲酯中加入三氟甲基磺酸锌，搅拌均匀成电解液，即制备得到锌二次电池用阻燃性电解液，通过燃烧试验可知，该电解液在火焰上不燃烧，只有少许白烟，见图1。以25微米厚Celgard多孔聚乙烯膜为隔膜，组装成Zn对称扣式电池，室温下进行沉积/剥离循环，结果见图2，经过4000小时循环，电压曲线仍十分稳定，图3(a)～图3(c)显示，沉积层为纳米片和纳米颗粒，无枝晶。
实施例2
一种锌二次电池用阻燃性电解液，为含有机溶剂和锌盐的液体，其中，有机溶剂为磷酸三乙酯，锌盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锌，电解液中锌盐的溶度为0.25mol/L。
按配比在磷酸三乙酯溶剂中加入双三氟甲烷磺酰亚胺锌，搅拌均匀成电解液，即制备得到锌二次电池用阻燃性电解液。以25微米厚Celgard多孔聚乙烯膜为隔膜，组装成Zn对称扣式电池，室温下进行沉积/剥离循环，曲线结果见图4，经过4000小时循环，电压曲线仍十分稳定。
实施例3
一种锌二次电池用阻燃性电解液，为含有机溶剂和锌盐的液体，其中，有机溶剂为磷酸三甲酯和乙腈混合溶剂(混合溶剂中磷酸三甲酯重量含量为5wt％)，锌盐为三氟甲基磺酸锌，电解液中锌盐的溶度为0.5mol/L。
按配比在上述混合溶剂中加入三氟甲基磺酸锌，搅拌均匀成电解液，即制备得到锌二次电池用阻燃性电解液。以25微米厚Celgard多孔聚乙烯膜为隔膜，组装成Zn对称扣式电池，室温下进行沉积/剥离循环，曲线结果见图5，经过750小时循环，电压曲线仍十分稳定。
实施例4
一种锌二次电池用阻燃性电解液，为含有机溶剂和锌盐的液体，其中，有机溶剂为磷酸三甲酯和乙腈混合溶剂(混合溶剂中磷酸三甲酯重量含量为50wt％)，锌盐为三氟甲基磺酸锌，电解液中锌盐的溶度为0.25mol/L。
按配比在上述混合溶剂中加入三氟甲基磺酸锌，搅拌均匀成电解液，即制备得到锌二次电池用阻燃性电解液，以25微米厚Celgard多孔聚乙烯膜为隔膜，组装成Zn对称扣式电池，室温下进行沉积/剥离循环，曲线结果见图6，经过1600小时循环，电压曲线仍十分稳定。
实施例5
一种锌二次电池用阻燃性电解液，为含有机溶剂和锌盐的液体，其中，有机溶剂为磷酸三乙酯和水混合溶剂(混合溶剂中磷酸三乙酯重量含量为90wt％)，锌盐为三氟甲基磺酸锌，电解液中锌盐的溶度为0.1mol/L。
按配比在上述混合溶剂中加入三氟甲基磺酸锌，搅拌均匀成电解液，即制备得到锌二次电池用阻燃性电解液，以25微米厚Celgard多孔聚乙烯膜为隔膜，组装成Zn对称扣式电池，室温下进行沉积/剥离循环，沉积层形貌见图7(a)～图7(d)，沉积层表面均匀无枝晶。
实施例6
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的有机溶剂为磷酸三丙酯。
实施例7
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的有机溶剂为磷酸三丁酯。
实施例8
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的有机溶剂为磷酸三异丁酯。
实施例9
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的有机溶剂为甲基磷酸二甲。
实施例10
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的有机溶剂为磷酸三苯酯。
实施例11
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的有机溶剂为磷酸三甲酯和磷酸三乙酯按质量比1:1混合。实际中，也可以根据需要选用合适的比例。
实施例12
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中用二甲基甲酰胺替代乙腈。
实施例13
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中用二甲亚砜替代乙腈。
实施例14
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中用碳酸丙烯酯替代乙腈。
实施例15
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中用碳酸乙烯酯替代乙腈。
实施例16
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中用环丁砜替代乙腈。
实施例17
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中用γ-丁内酯替代乙腈。
实施例18
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中用碳酸二甲酯替代乙腈。
实施例19
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中用碳酸二乙酯替代乙腈。
实施例20
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中用碳酸甲乙酯替代乙腈。
实施例21
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中将碳酸丙烯酯和碳酸乙烯酯按照质量比1:1混合替代乙腈。实际中，碳酸丙烯酯和碳酸乙烯酯也可以根据需要选用合适的比例。
实施例22
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例的混合溶剂中磷酸三甲酯重量含量为20wt％。
实施例23
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例的混合溶剂中磷酸三甲酯重量含量为60wt％。
实施例24
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中的锌盐为乙酸锌。
实施例25
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中的锌盐为硝酸锌。
实施例26
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中的锌盐为双氟磺酰亚胺锌。
实施例27
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中的锌盐为二氟草酸硼酸锌。
实施例28
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中的锌盐为二草酸硼酸锌。
实施例29
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中的锌盐为四氟硼酸锌。
实施例30
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中的锌盐为草酸二氟硼酸锌。
实施例31
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中的锌盐为高氯酸锌。
实施例32
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例中的锌盐采用硝酸锌和硫酸锌按照质量比1:1混合。实际中，也可以根据需要选用合适的比例。
实施例33
库伦效率测试为：以锌为负极，不锈钢为正极，以25微米厚Celgard多孔聚乙烯膜为隔膜，组装成Zn/Cu扣式电池，室温下采用0.5mA/cm2电流密度进行沉积/剥离循环，沉积2小时，剥离截止电压为0.5V，采用实施例1所述的电解液，并与乙腈+0.5mol/L三氟甲基磺酸锌和水+0.5mol/L三氟甲基磺酸锌两种电解液进行对比，结果如图8所示。水+0.5mol/L三氟甲基磺酸锌中库伦效率在80％左右，经过仅10次循环就发生短路；乙腈+0.5mol/L三氟甲基磺酸锌中库伦效率较大幅度震荡，这是由于枝晶原因造成的，经过80次循环就发生短路；而实施例1所述的电解液中库伦效率接近100％，并且经过500次循环仍十分稳定。

Claims (7)

1.一种锌二次电池用阻燃性电解液，其特征在于，为含有机溶剂和锌盐的液体，所述的有机溶剂为磷酸酯类溶剂或磷酸酯基混合溶剂。
2.根据权利要求1所述的一种锌二次电池用阻燃性电解液，其特征在于，所述的磷酸酯类溶剂采用磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三丙酯、磷酸三丁酯、磷酸三异丁酯、甲基磷酸二甲酯和磷酸三苯酯溶剂中的一种或几种。
3.根据权利要求1或2所述的一种锌二次电池用阻燃性电解液，其特征在于，所述的磷酸酯基混合溶剂采用磷酸酯类与乙腈、二甲基甲酰胺、二甲亚砜、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯和水中的一种或几种的混合。
4.根据权利要求1所述的一种锌二次电池用阻燃性电解液，其特征在于，所述的磷酸酯基混合溶剂中磷酸酯类的重量含量为5％-90wt％。
5.根据权利要求4所述的一种锌二次电池用阻燃性电解液，其特征在于，所述的磷酸酯基混合溶剂中磷酸酯类的重量含量为20％-60wt％。
6.根据权利要求1所述的一种锌二次电池用阻燃性电解液，其特征在于，所述锌盐为硝酸锌、三氟甲基磺酸锌、乙酸锌、双三氟甲烷磺酰亚胺锌、双氟磺酰亚胺锌、二氟草酸硼酸锌、二草酸硼酸锌、四氟硼酸锌、高氯酸锌和硫酸锌中的一种或几种。
7.根据权利要求1或6所述的一种锌二次电池用阻燃性电解液，其特征在于，所述的锌盐在电解液的浓度为0.1～0.5mol/L。
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