CN112652825A - 一种低成本的水系锌离子电池电解液及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及锌离子电池领域，具体提供一种低成本的水系锌离子电池电解液及其制备方法与应用。低成本的水系锌离子电池电解液包括可溶性锌盐和氟化盐添加剂。低成本的水系锌离子电池电解液的制备方法包括如下步骤：将氟化盐添加剂粉末加入可溶性锌盐中，搅拌均匀。解决现有技术中锌离子电池应用过程中存在不可控的枝晶生长与不可逆的副反应的问题。
Description
技术领域
本公开涉及锌离子电池领域，具体提供一种低成本的水系锌离子电池电解液及其制备方法与应用。
背景技术
这里的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，而不必然构成现有技术。
由于日益严重的环境污染和持续的能源消耗，可再生能源和可再生储能技术对社会发展和人们的生产生活越来越重要。电化学储能技术是一种较为清洁的储能方式。在过去的几十年，由于较高的能量密度、良好的循环稳定性和较低的自放电等特点，锂离子电池能够满足大范围的应用。然而，有限的锂资源、高成本、安全性差和对环境的影响阻碍了锂离子电池的大规模应用。越来越多的研究者致力于寻找可以替代锂离子电池的绿色、安全、成本低和性能好的二次电池。由于锌的元素丰度高、价格低、理论密度高达825mAh/g和较低的氧化还原电位(-0.763V)，被认为有望取代锂离子电池。可充电的水系锌离子电池具有高的安全性、高的能量密度、绿色环保、材料来源丰富、价格适宜等优点，因此具有较好的应用前景。
但是，发明人发现，锌离子电池存在的两个问题限制了其进一步的发展：包括不可控的枝晶生长与不可逆的副反应。为了解决上述锌电池存在的问题，已有许多相关的研究，如：锌负极表面改性、电解液改性、隔膜改性等。其中，开发新的电解液是一种有效的方法，但发明人发现，目前新电解液的开发通常具有成本高的缺点。
发明内容
针对现有技术中锌离子电池应用过程中存在不可控的枝晶生长与不可逆的副反应的问题。
本公开一个或一些实施方式中，提供一种低成本的水系锌离子电池电解液，包括可溶性锌盐和氟化盐添加剂。
本公开一个或一些实施方式中，提供上述低成本的水系锌离子电池电解液的制备方法，包括如下步骤：将氟化盐添加剂粉末加入可溶性锌盐中，搅拌均匀。
本公开一个或一些实施方式中，提供一种锌离子电池，包括锌负极和上述低成本的水系锌离子电池电解液或上述低成本的水系锌离子电池电解液的制备方法制得的产品。
本公开一个或一些实施方式中，提供上述锌离子电池的制备方法，包括如下步骤：按照上述低成本的水系锌离子电池电解液的制备方法制得锌离子电池的电解液，然后将其它部分组装，既得。
本公开一个或一些实施方式中，提供氟化盐在低成本的水系锌离子电池电解液中的应用。
本公开一个或一些实施方式中，提供氟化盐作为电解液添加剂在提高锌离子电池循环性能中的应用。
上述技术方案中的一个或一些技术方案具有如下优点或有益效果：
1)本公开通过在电解液中添加氟化盐作为电解液添加剂，显著改善电解液的化学性能，且电解液添加剂解决了锌离子电池存在不可控的枝晶生长与不可逆的副反应的问题。具体的，氟化盐使得锌负极表面产生富氟层，富氟层可以使锌负极表面具有优异的电化学稳定性，阻止电解液与锌负极表面直接接触，因此可以阻止副反应的发生，是锌电池具有良好的电化学性能。
2)本公开采用的氟化盐添加剂成本低，添加量少。本公开中的主体电解液采用的是商业化的电解液，容易获得，且仅需要按照预设的比例进行称量搅拌混匀即可，因此工艺操作简单易行。
附图说明
构成本公开一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是实施例1中氟化锌的XRD图。
图2是实施例1中电解液的光学照片图。
图3是对比例1中电解液的光学照片图。
图4是实施例1中在不锈钢上沉积锌的SEM图。
图5是对比例1中在不锈钢上沉积锌的SEM图。
图6是实施例1和对比例1中对称电池的循环性。
具体实施方式
下面将对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本公开的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本公开的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
针对现有技术中锌离子电池应用过程中存在不可控的枝晶生长与不可逆的副反应的问题。
本公开一个或一些实施方式中，提供一种低成本的水系锌离子电池电解液，包括可溶性锌盐和氟化盐添加剂。本公开通过在电解液中添加氟化盐作为电解液添加剂，显著改善电解液的化学性能，且电解液添加剂解决了锌离子电池存在不可控的枝晶生长与不可逆的副反应的问题。具体的，氟化盐使得锌负极表面产生富氟层，富氟层可以使锌负极表面具有优异的电化学稳定性，阻止电解液与锌负极表面直接接触，因此可以阻止副反应的发生，是锌电池具有良好的电化学性能。
优选的，所述可溶性锌盐包括硫酸锌、乙酸锌、氯化锌、硝酸锌、六氟甲磺酸锌中的一种或多种；进一步优选为硫酸锌。
优选的，所述可溶性锌盐浓度为0.5-10mol/L；
优选的，所述氟化盐添加剂浓度为0.02-1mol/L；
优选的，所述氟化盐包括氟化锌、氟化锂、氟化钾中的一种或多种，优选为氟化锌。氟化锌与可溶性锌盐相比，不会引入其他杂质，效果最好。
本公开一个或一些实施方式中，提供上述低成本的水系锌离子电池电解液的制备方法，包括如下步骤：将氟化盐添加剂粉末加入可溶性锌盐中，搅拌均匀；
优选的，搅拌时间为0.4-3h。
本公开采用的氟化盐添加剂成本低，添加量少。本公开中的主体电解液采用的是商业化的电解液，容易获得，且仅需要按照预设的比例进行称量搅拌混匀即可，因此工艺操作简单易行。
本公开一个或一些实施方式中，提供一种锌离子电池，包括锌负极和上述低成本的水系锌离子电池电解液或上述低成本的水系锌离子电池电解液的制备方法制得的产品。
优选的，还包括电池壳与纤维素隔膜；
优选的，所述电池壳为不锈钢电池壳；不锈钢电池壳为锌离子电池常用电池壳，容易获得。
进一步优选的，所述电池壳为2032型不锈钢电池壳。
优选的，所述锌离子电池为水系可充电锌离子电池。
本公开一个或一些实施方式中，提供上述锌离子电池的制备方法，包括如下步骤：按照上述低成本的水系锌离子电池电解液的制备方法制得锌离子电池的电解液，然后将其它部分组装，既得。
本公开一个或一些实施方式中，提供氟化盐在低成本的水系锌离子电池电解液中的应用。
本公开一个或一些实施方式中，提供氟化盐作为电解液添加剂在提高锌离子电池循环性能中的应用。
优选的，氟化盐使锌负极表面生成一层富氟层，抑制锌枝晶的生长。
实施例1
本实施例提供一种低成本的水系锌离子电池电解液的制备方法，包括如下步骤：
将0.008M的氟化锌粉末加入到100mL的2mol/L的硫酸锌电解液中，搅拌2h，得到均匀的溶液。
图1是实施例1中氟化锌的XRD图，从图中可以看出，没有其他杂峰出现，说明采用的氟化锌纯度较高。
图2是实施例1中电解液的光学照片图，图3是对比例1中电解液的光学照片图，说明所使用的电解液是均一透明的。显然，氟化锌在硫酸锌电解液中溶解性良好。
实施例2
本实施例提供一种低成本的水系锌离子电池电解液的制备方法，包括如下步骤：
将0.01M的氟化锌粉末加入到100mL的2mol/L的氯化锌电解液中，搅拌0.8h，得到均匀的溶液。
实施例3
本实施例提供一种低成本的水系锌离子电池电解液的制备方法，包括如下步骤：
将0.2M的氟化锂粉末加入到100mL的1mol/L的乙酸锌电解液中，搅拌1.2h，得到均匀的溶液。
实施例4
本实施例提供一种低成本的水系锌离子电池电解液的制备方法，包括如下步骤：
将0.2M的氟化钾粉末加入到100mL的0.8mol/L的硝酸锌电解液中，搅拌0.4h，得到均匀的溶液。
实施例5
本实施例提供一种低成本的水系锌离子电池电解液的制备方法，包括如下步骤：
将0.5M的氟化锂粉末加入到100mL的3mol/L的硫酸锌电解液中，搅拌3h，得到均匀的溶液。
对比例1
本实施例提供一种低成本的水系锌离子电池电解液的制备方法，包括如下步骤：
采用2mol/L的硫酸锌作为对比电解液中。
实施例6
本实施例提供实施例1和对比例1所述的低成本的水系锌离子电池电解液的测试方法与结果，具体包括如下步骤：
电池的组装：分别将实施例1与对比例1所述的低成本的水系锌离子电池电解液进行组装成Zn-Zn的对称电池，采用2032型电池壳，隔膜采用纤维素隔膜，在新威测试系统上进行。分别对实施例1与对比例1组成的电池的循环性能进行测试，结果如图6所示，从图6可以看出，实施例1的电解液组成的对称电池循环性能稳定，显然添加氟化锌后的对称电池循环稳定。
图4是实施例1中在不锈钢上沉积锌的SEM图，不锈钢表面较为平整，没有观察到明显的锌枝晶，说明添加氟化锌的电解液能有效的抑制锌枝晶的生长。
图5是对比例1中在不锈钢上沉积锌的SEM图，不锈钢的表面观察到大颗粒的锌枝晶，说明硫酸锌电解液中锌枝晶的生长速度较快。
从图4-6可以看出，显然是由于添加氟化锌后，在锌负极表面生成一层富氟层能有效的抑制锌枝晶的生长，阻止副反应的发生。
以上所揭露的仅为本公开的优选实施例而已，当然不能以此来限定本公开之权利范围，因此依本公开申请专利范围所作的等同变化，仍属本公开所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种低成本的水系锌离子电池电解液，其特征在于，包括可溶性锌盐和氟化盐添加剂。
2.如权利要求1所述的低成本的水系锌离子电池电解液，其特征在于，所述可溶性锌盐包括硫酸锌、乙酸锌、氯化锌、硝酸锌、六氟甲磺酸锌中的一种或多种；
优选的，所述可溶性锌盐浓度为0.5-10mol/L；
优选的，所述氟化盐添加剂浓度为0.02-1mol/L；
优选的，所述氟化盐包括氟化锌、氟化锂、氟化钾中的一种或多种，优选为氟化锌。
3.权利要求1或2所述低成本的水系锌离子电池电解液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将氟化盐添加剂粉末加入可溶性锌盐中，搅拌均匀；
优选的，搅拌时间为0.4-3h。
4.一种锌离子电池，其特征在于，包括锌负极和权利要求1或2所述低成本的水系锌离子电池电解液或权利要求3所述低成本的水系锌离子电池电解液的制备方法制得的产品。
5.如权利要求4所述的锌离子电池，其特征在于，还包括电池壳与纤维素隔膜；
优选的，所述电池壳为不锈钢电池壳；
进一步优选的，所述电池壳为2032型不锈钢电池壳。
6.如权利要求4所述的锌离子电池，其特征在于，所述锌离子电池为水系可充电锌离子电池。
7.权利要求4-6任一项所述的锌离子电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：按照权利要求3所述的低成本的水系锌离子电池电解液的制备方法制得锌离子电池的电解液，然后将其它部分组装，既得。
8.氟化盐在低成本的水系锌离子电池电解液中的应用。
9.氟化盐作为电解液添加剂在提高锌离子电池循环性能中的应用。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，氟化盐使锌负极表面生成一层富氟层，抑制锌枝晶的生长。
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