CN112467233A - 一种用于可充放锌锰电池高性能水系电解液 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于可充放锌锰电池高性能水系电解液。高性能水系电解液包含：锌盐、铵盐、锂盐以及溶剂水。本发明是在锌盐和铵盐混合电解液的基础上，通过添加锂盐制成的混合电解液，以提高锌锰电池中正极材料，二氧化锰的稳定性和容量，锂盐的加入使正极产生类似于SEI膜，提升了锌锰电池正极的循环稳定性；本发明区别于其他用有机溶剂溶解锂盐作为电解液，所述高性能水系电解液以水作为溶剂，能有效解决用含有有机溶剂的电解液带来的储能设备的安全性问题。高性能水系电解液可以有效地提高以二氧化锰制作成的锌锰电池正极材料的容量以及循环寿命，本发明的水系电解液制作方法简单，溶剂为水，相较于有机溶剂，成本低，环境友好。

Description

一种用于可充放锌锰电池高性能水系电解液
技术领域
本发明涉及电池电解液技术领域，尤其是一种用于可充放锌锰电池高性能水系电解液、及其制备方法。
背景技术
可再生能源(如太阳能、风能和潮汐等)在过去的二十年中受到了广泛的关注，因为化石能源的持续消耗造成了日益严重的环境污染和气候问题。关键问题之一是可再生能源发电不连续、不可控、不稳定，难以直接利用。因此，迫切需要将储能系统作为调节电力输出的媒介，提高电力存储系统对可再生能源的存储量。
近年来，由于锌金属阳极具有较高的理论容量(820mAh g-1)、较低的电化学电位(0.76V vs标准氢电极)和较高的天然丰度，因此在所有可充电电池中，锌离子电池(AZIBs)得到了迅速的发展。
AZIBs的阴极是一些具有隧道型结构的化合物(如锰氧化物和钒氧化物)，它允许将Zn2+可逆地嵌入/脱出到晶体中。但是由于电池在充放电过程中，部分锰离子可能会溶解在电解液中，且锌离子嵌入脱出过程中易导致锰基正极结构坍塌，因此很多研究报道的锌锰电池的循环稳定还有待提高。因此，如何有效提高锰基化合物正极材料的倍率和循环性能具有重要意义。
众所周知，非水锂离子电池(LIBs)是目前应用最广泛的锂离子电池。但是，由于使用有机电解液带来的成本高、环境不友好、不安全等缺点，使其不适合大规模能量储存系统。与非水系电池相比，使用安全、成本低的水系电解质的电池可以精确地满足这些要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种用于可充放锌锰电池高性能水系电解液、及其制备方法，本发明以水作为溶剂，通过优化电解液成分配比以及加入锂盐，使正极产生类似于固体电解质界面膜(SEI)，提升了锌锰电池正极的循环稳定性和容量。且此种电解液制作简单，在室内常温下即可制备，使用的原料简单，价格低廉，环境友好，适合商业化大规模的生产及运用。
本发明的技术方案为：一种用于可充放锌锰电池高性能水系电解液，所述的水系电解液包括锌盐、铵盐和锂盐，通过加入锂盐，以提高锌锰电池中正极材料的稳定性和容量，锂盐的加入使正极产生类似于SEI膜，提升了锌锰电池正极的循环稳定性。
进一步的，所述高性能水系电解液，锌盐和铵盐浓度比例为2:1。
进一步的，所述锌盐浓度为2-6mol L-1，铵盐的浓度为1-3mol L-1。
进一步的，所述的锂盐的浓度为3-7mol L-1。
进一步的，所述的锌盐为氯化锌，铵盐为氯化铵，所述的锂盐为氯化锂。
本发明还提供一种用于可充放锌锰电池高性能水系电解液的制备方法，所述的方法为：将2-6mol L-1锌盐和1-3mol L-1铵盐混合溶解在水中作为前驱液，再加入3-7mol L-1锂盐搅拌至溶液澄清得到所述的高性能电解液。
进一步的，所述的电解液用于以二氧化锰制作的电极作为正极材料、锌基材料为负极的锌锰电池中。
进一步的，所述锌盐的浓度为2.5mol L-1，铵盐的浓度为1.25mol L-1，所述的锂盐的浓度为5mol L-1。
进一步的，所述的锌盐为氯化锌，铵盐为氯化铵，所述的锂盐为氯化锂。
本发明的有益效果为：
1、本发明高性能水系电解液通过优化电解液成分配比以及加入锂盐，以提高锌锰电池中正极材料，商业二氧化锰的稳定性和容量，锂盐的加入使正极产生类似于SEI膜，提升了锌锰电池正极的循环稳定性；
2、本发明的高性能水系电解液制作方法简单，溶剂为水，相较于有机溶剂，成本低，环境友好，且组装电池时在室内开放体系下就可进行，减少组装电池带来的成本问题，适合于大规模的商业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1中商业二氧化锰的X射线粉末衍射图(XRD)；
图2为本发明实施例1中使用不添加锂盐和添加锂盐两种不同电解液的锌锰纽扣电池的循环伏安曲线图(CV)；
图3为本发明实施例1中使用不添加锂盐和添加锂盐两种不同电解液的锌锰纽扣电池的恒流放电曲线图(GCD)；
图4为本发明实施例1中使用不添加锂盐和添加锂盐两种不同电解液的锌锰纽扣电池的循环寿命曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
本实施例提供一种用于可充放锌锰电池高性能水系电解液的制备方法，所述的方法为：2.5mol L-1氯化锌和1.25mol L-1铵盐混合搅拌溶解水中，再加入5mol L-1氯化锂，搅拌至溶液澄清，得到所述高性能电解液。
本实施例通过用涂膜的方法，将正极材料制备成浆料涂覆在集流体上，作为正极，负极用商业化锌基材料，以及上述高性能电解液组装成的纽扣锌锰电池，再进行电化学测试，其中，使用加入锂盐电解液的电池记为ZNL，使用未加入锂盐电解液的电池记为ZN。
实施例2
性能测试
对商业二氧化锰粉末进行了X射线粉末衍射测试(XRD)，结果如图1所示，这种商业化的MnO2由两种相(PDF#72-1982与PDF#72-1984)组成，不存在其他物质会影响其性能。
图2采用了电化学方法中的循环伏安测试来研究加入的锂盐的电解液对锌锰纽扣电池性能的影响，测试结果表明，使用加入锂盐的电解液，锌锰纽扣电池的容量增加，获得了更好的电化学性能。
图3采用了恒电流充放电测试(GCD)来研究加入的锂盐的电解液对锌锰纽扣电池的储能性能的影响。结果表明，在10mA cm-2电流密度下，使用加入锂盐的电解液比未加入锂盐的电解液的锌锰电池拥有更加优异的容量(221.3mAh g-1)。
由图4可以看出，使用加入锂盐的电解液，在20mA cm-2电流密度下，锌锰纽扣电池连续充放电200次后仍有78.63％的容量保持率，相比于使用不加锂盐的电解液(100次后容量保持率只有7.98％)，其循环稳定性大大提升，表明其优良的循环稳定性。
综上所述，这种高性能水系电解液，可以有效的提高可充放锌锰电池的容量以及稳定性，在能源储存方面具有很大的应用前景。
实施例3-11
实施例3-11的操作过程与实施例1相同，不同点在于在电解液制作过程中加入锌盐、铵盐以及锂盐的用量和种类不同，实施例3-11的电解液成分及电池测试结果参见表1。
Figure BDA0002809388790000051
Figure BDA0002809388790000061
其中，实施例1、3和4说明锂盐的浓度对锌锰电池的性能有很大的影响，实施例1、5、6和7说明不同的锂盐对锌锰电池的循环性能和容量有很大的影响。实施例1、8和9说明锌盐和铵盐浓度比相同，浓度不同会对锌锰电池的容量有很大的影响。实施例1、10和11说明锌盐和铵盐种类不同对锌锰电池的容量也有很大的影响。使用所述实施例3-11中电解液测试的锌锰电池性能不及实施例1的案例。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种用于可充放锌锰电池高性能水系电解液，其特征在于：所述的水系电解液包括锌盐、铵盐和锂盐，通过加入锂盐，以提高锌锰电池中正极材料的稳定性和容量，锂盐的加入使正极产生类似于SEI膜，提升了锌锰电池正极的循环稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种用于可充放锌锰电池高性能水系电解液，其特征在于：所述的水系电解液，锌盐和铵盐浓度比例为2:1。
3.根据权利要求1所述的一种用于可充放锌锰电池高性能水系电解液，其特征在于：所述的水系电解液中，所述锌盐浓度为2-6mol L-1，铵盐的浓度为1-3mol L-1。
4.根据权利要求1所述的一种用于可充放锌锰电池高性能水系电解液，其特征在于：所述的水系电解液中，所述的锂盐的浓度为3-7mol L-1。
5.根据权利要求1所述的一种用于可充放锌锰电池高性能水系电解液，其特征在于：所述的水系电解液中，所述的锌盐为氯化锌，铵盐为氯化铵，所述的锂盐为氯化锂。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种用于可充放锌锰电池高性能水系电解液，其特征在于：所述的水系电解液用于以二氧化锰制作的电极作为正极材料、锌基材料为负极的锌锰电池中。
7.一种用于可充放锌锰电池高性能水系电解液的制备方法，其特征在于，所述的方法为：将2-6mol L-1锌盐和1-3mol L-1铵盐混合溶解在水中作为前驱液，再加入3-7molL-1锂盐搅拌至溶液澄清得到所述的高性能电解液。
8.根据权利要求7所述的一种用于可充放锌锰电池高性能水系电解液的制备方法，其特征在于，所述锌盐的浓度为2.5mol L-1，铵盐的浓度为1.25mol L-1，所述的锂盐的浓度为5mol L-1。
9.根据权利要求8所述的一种用于可充放锌锰电池高性能水系电解液的制备方法，其特征在于，所述的锌盐为氯化锌，铵盐为氯化铵，所述的锂盐为氯化锂。
10.根据权利要求7-9任一项所述的一种用于可充放锌锰电池高性能水系电解液的制备方法，其特征在于，所述的水系电解液用于以二氧化锰制作的电极作为正极材料、锌基材料为负极的锌锰电池中。
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