CN113659212A - 一种耐受高电压锌盐电解液及其应用 - Google Patents

一种耐受高电压锌盐电解液及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于电化学储能技术领域，具体涉及一种耐受高电压锌盐电解液以及应用于锌负极和石墨正极组成的双离子电池。电解液由锌盐和有机溶剂组成，所述的有机溶剂为含二腈基的溶剂。与现有的锌盐电解液相比，本发明的锌盐电解液具有非常高的氧化稳定性，能显著提升锌负极和石墨正极组成的高电压双离子电池的库伦效率和循环性能，在规模储能领域具有良好的应用前景。

Description

一种耐受高电压锌盐电解液及其应用
技术领域
本发明属于电化学储能技术领域，具体涉及一种耐受高电压锌盐电解液以及应用于锌负极和石墨正极组成的双离子电池。
背景技术
可再生能源发电具有间歇性特征，受季节、天气、时间的影响较大。发展低成本的大规模电化学储能技术是解决可再生能源发电不稳定性问题的有效方案之一。由锌负极和石墨正极组成的双离子电池（锌/石墨双离子电池）是一种新型的储能器件，充放电时锌负极发生锌离子沉积/溶解反应，而石墨正极发生阴离子嵌入/脱出反应，由于采用的锌负极和石墨正极成本都很低，因此它在大规模储能领域具有很大的潜在应用价值。
对于锌/石墨双离子电池而言，石墨正极发生阴离子嵌入/脱出反应的电势较高，因此锌盐电解液不但需要满足高离子电导率，还需要具备耐受高电压特征。目前锌/石墨双离子电池的电解液通常采用双三氟甲烷磺酰亚胺锌、三氟甲烷磺酸锌、六氟磷酸锌等作为锌盐，乙腈作为有机溶剂。虽然这类采用乙腈作为溶剂的锌盐电解液具有较高的离子电导率，并且能够保证负极锌离子沉积/溶解和正极阴离子嵌入/脱出石墨反应地顺利进行，但是电解液在高电压条件下使乙腈的酸性增强容易脱去质子，发生后续氧化分解反应，最终造成电池的库伦效率和循环性能仍然不足，锌/石墨双离子电池难以满足大规模储能器件实用的要求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种耐高电压锌盐电解液以及应用于锌负极和石墨正极组成的双离子电池。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种耐受高电压锌盐电解液，电解液由锌盐和有机溶剂组成，所述的有机溶剂为含二腈基的溶剂。
所述电解液中锌盐终浓度为0.2−4mol/L，优选终浓度为0.5mol/L。
所述含二腈基的溶剂为二腈类溶剂或含二腈类溶剂的混合溶剂。
所述二腈类溶剂为戊二腈、己二腈、庚二腈、辛二腈、壬二腈、癸二腈中的一种或几种的组合。
所述含二腈类溶剂的混合溶剂为二腈类溶剂与非二腈类溶剂的混合，其中，两类溶剂中二腈类溶剂占混合溶剂体积的50%−90%；所述非二腈类溶剂为乙腈、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、二甲亚砜、环丁砜中的一种或几种的混合。
所述锌盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锌、三氟甲烷磺酸锌、六氟磷酸锌、高氯酸锌、四氟硼酸锌中的一种或几种的组合。
一种双离子电池，包括锌负极、石墨正极、介于正负极之间的隔膜和电解液，所述电解液为所述的高电压锌盐电解液。
所述锌负极为锌片、锌箔、锌粉、锌合金中的一种或多种制成的负极片。
所述石墨正极的活性物质为天然石墨和人造石墨中的一种或两种的组合。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明电解液中添加含二腈基的溶剂，使得该电解液即使在2.8V（相对于锌/锌离子电对）的高电势下也基本不发生分解，从而大大提升了锌/石墨双离子电池的循环性能，具体为：
1、本发明电解液中添加二腈类溶剂，其两端都含有氰基官能团，两端的氰基拉电子效应在一定程度上抵消，因此，邻近氰基的甲基或亚甲基氢Lewis酸性减弱，不易脱去引发后续氧化分解反应，氧化稳定性大幅提升，解决现有的乙腈类锌盐电解液在高电压下氧化稳定性不足的问题，此外添加二腈类溶剂的锌盐电解液的氧化稳定性也显著高于碳酸酯类锌盐电解液（图1、图2、图4、图5、图7、图8、图10、图11）。
2、本发明提供的高电压锌盐电解液，适用于锌负极和石墨正极组成的双离子电池，能明显提升双离子电池的循环稳定性（图3、图6、图9、图12）。
附图说明
图1是本发明实施例1和对比例1、2中电解液的线性扫描伏安法测试。
图2是本发明实施例1和对比例1、2中电解液的计时电流法测试。
图3是本发明实施例1和对比例1、2中电池的充放电循环性能测试。
图4是本发明实施例2和对比例1、2中电解液的线性扫描伏安法测试。
图5是本发明实施例2和对比例1、2中电解液的计时电流法测试。
图6是本发明实施例2和对比例1、2中电池的充放电循环性能测试。
图7是本发明实施例3和对比例1、2中电解液的线性扫描伏安法测试。
图8是本发明实施例3和对比例1、2中电解液的计时电流法测试。
图9是本发明实施例3和对比例1、2中电池的充放电循环性能测试。
图10是本发明实施例4和对比例1、2中电解液的线性扫描伏安法测试。
图11是本发明实施例4和对比例1、2中电解液的计时电流法测试。
图12是本发明实施例4和对比例1、2中电池的充放电循环性能测试。
具体实施方式
下面具体描述发明所涉及的锌负极和石墨正极组成的双离子电池的电极制备及单体组装方法。下面的制备与组装方法用于对本发明的说明，而不是对本发明的范围的限制。
本发明电池循环性能测试，组装的电池通常为锌负极和石墨正极组成的双离子电池的正极使用天然石墨或人造石墨作为活性物质，乙炔黑作为导电剂，聚偏氟乙烯作为黏结剂，活性物质、导电剂、黏结剂的质量比为80:10:10，负极极片采用锌箔、锌片、锌粉或锌合金中的一种或多种制成的极片，玻璃纤维作为隔膜。在手套箱中进行单体组装，最后将本发明的耐受高电压锌盐电解液注入单体中，封装成扣式电池，用于电池循环性能测试。
实施例中涉及原料均为市售产品
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。
对比例1：
按照“具体实施方式”描述的方法进行电极制备和单体组装扣式锌/石墨双离子电池。
其中使用的电解液在手套箱中配置，其组成与配比如下：
溶剂：碳酸甲乙酯；
溶质：双三氟甲烷磺酰亚胺锌在电解液中终浓度为0.2mol/L。
用移液枪移取所配置的电解液5mL置于三电极电化学池中，采用锌箔作为对电极和参比电极，采用钛箔作为工作电极，利用电化学工作站进行电解液的氧化分解电位和分解电流测试（参见图1-图12）。
对比例2：
按照“具体实施方式”描述的方法进行电极制备和单体组装扣式锌/石墨双离子电池。
其中使用的电解液在手套箱中配置，其组成与配比如下：
溶剂：乙腈；
溶质：三氟甲烷磺酸锌在电解液中终浓度为1.5mol/L。
用移液枪移取所配置的电解液5mL置于三电极电化学池中，采用锌箔作为对电极和参比电极，采用钛箔作为工作电极，利用电化学工作站进行电解液的氧化分解电位和分解电流测试（参见图1-图12）。
实施例1：
按照“具体实施方式”描述的方法进行电极制备和单体组装扣式锌/石墨双离子电池。
其中使用的电解液在手套箱中配置，其组成与配比如下：
溶剂：己二腈；
锌盐：双三氟甲烷磺酰亚胺锌，在电解液中终浓度为0.2mol/L。
用移液枪移取所配置的电解液5mL置于三电极电化学池中，采用锌箔作为对电极和参比电极，采用钛箔作为工作电极，利用电化学工作站进行电解液的氧化分解电位和分解电流测试（参见图1-图3）。
图1中曲线（1）为实施例1中电解液的氧化分解电位测试，图1中曲线（2）为对比例1中电解液的氧化分解电位测试，图1中曲线（3）为对比例2中电解液的氧化分解电位测试。
图2中曲线（1）为实施例1中电解液在2.8V恒定电压下的分解电流随时间变化曲线，图2中曲线（2）为对比例1中电解液在2.8V恒定电压下的分解电流随时间变化曲线，图2中曲线（3）为对比例2中电解液在2.8V恒定电压下的分解电流随时间变化曲线。
结果表明使用实施例1所配置电解液的氧化分解起始电位显著高于对比例1和对比例2，使用实施例1所配置电解液在2.8V恒定电压下的分解电流显著小于对比例1和对比例2，均表明实施例1所配置电解液的氧化稳定性显著高于对比例1和对比例2。
图3中曲线（1）为实施例1中制备的锌/石墨双离子电池的充放电循环性能测试，图3中曲线（2）为对比例1中制备的锌/石墨双离子电池的充放电循环性能测试，图3中曲线（3）为对比例2中制备的锌/石墨双离子电池的充放电循环性能测试，结果表明使用实施例1所配置电解液的锌/石墨双离子电池的循环稳定性优于使用对比例1和对比例2所配置电解液的锌/石墨双离子电池的循环稳定性。由于电解液中添加的己二腈溶剂其两端都含有氰基官能团，两端的氰基拉电子效应在一定程度上抵消，因此，邻近氰基的甲基或亚甲基氢Lewis酸性减弱，不易脱去引发后续氧化分解反应，氧化稳定性大幅提升，进而从附图中可见实施例1所配置电解液的氧化稳定性显著高于对比例1和对比例2。
实施例2：
按照“具体实施方式”描述的方法进行电极制备和单体组装扣式锌/石墨双离子电池。
其中使用的电解液在手套箱中配置，其组成与配比（体积比）如下：
溶剂，按体积份数比：己二腈1份，庚二腈1份；
溶质：三氟甲烷磺酸锌在电解液中终浓度为1.5mol/L。
用移液枪移取所配置的电解液5mL置于三电极电化学池中，采用锌箔作为对电极和参比电极，采用钛箔作为工作电极，利用电化学工作站进行电解液的氧化分解电位和分解电流测试（参见图4-图6）。
图4中曲线（1）为实施例2中电解液的氧化分解电位测试，图4中曲线（2）为对比例1中电解液的氧化分解电位测试，图4中曲线（3）为对比例2中电解液的氧化分解电位测试。
图5中曲线（1）为实施例2中电解液在2.8V恒定电压下的分解电流随时间变化曲线，图5中曲线（2）为对比例1中电解液在2.8V恒定电压下的分解电流随时间变化曲线，图5中曲线（3）为对比例2中电解液在2.8V恒定电压下的分解电流随时间变化曲线。
结果表明使用实施例2所配置电解液的氧化分解起始电位显著高于对比例1和对比例2，使用实施例2所配置电解液在2.8V恒定电压下的分解电流显著小于对比例1和对比例2，均表明实施例2所配置电解液的氧化稳定性显著高于对比例1和对比例2。
图6中曲线（1）为实施例2中制备的锌/石墨双离子电池的充放电循环性能测试，图6中曲线（2）为对比例1中制备的锌/石墨双离子电池的充放电循环性能测试，图6中曲线（3）为对比例2中制备的锌/石墨双离子电池的充放电循环性能测试，结果表明使用实施例2所配置电解液的锌/石墨双离子电池的循环稳定性优于使用对比例1和对比例2所配置电解液的锌/石墨双离子电池的循环稳定性。由于电解液中添加的己二腈和庚二腈溶剂其两端都含有氰基官能团，两端的氰基拉电子效应在一定程度上抵消，因此，邻近氰基的甲基或亚甲基氢Lewis酸性减弱，不易脱去引发后续氧化分解反应，氧化稳定性大幅提升，进而从附图中可见实施例2所配置电解液的氧化稳定性显著高于对比例1和对比例2。
实施例3：
按照“具体实施方式”描述的方法进行电极制备和单体组装扣式锌/石墨双离子电池。
其中使用的电解液在手套箱中配置，其组成与配比（体积比）如下：
溶剂按体积份数比：辛二腈3份，碳酸甲乙酯1份；
溶质：六氟磷酸锌，在电解液中终浓度为1mol/L。
用移液枪移取所配置的电解液5mL置于三电极电化学池中，采用锌箔作为对电极和参比电极，采用钛箔作为工作电极，利用电化学工作站进行电解液的氧化分解电位和分解电流测试（参见图7-图9）。
图7中曲线（1）为实施例3中电解液的氧化分解电位测试，图7中曲线（2）为对比例1中电解液的氧化分解电位测试，图7中曲线（3）为对比例2中电解液的氧化分解电位测试。
图8中曲线（1）为实施例3中电解液在2.8V恒定电压下的分解电流随时间变化曲线，图8中曲线（2）为对比例1中电解液在2.8V恒定电压下的分解电流随时间变化曲线，图8中曲线（3）为对比例2中电解液在2.8V恒定电压下的分解电流随时间变化曲线。
结果表明使用实施例3所配置电解液的氧化分解起始电位显著高于对比例1和对比例2，使用实施例3所配置电解液在2.8V恒定电压下的分解电流显著小于对比例1和对比例2，均表明实施例3所配置电解液的氧化稳定性显著高于对比例1和对比例2。
图9中曲线（1）为实施例3中制备的锌/石墨双离子电池的充放电循环性能测试，图9中曲线（2）为对比例1中制备的锌/石墨双离子电池的充放电循环性能测试，图9中曲线（3）为对比例2中制备的锌/石墨双离子电池的充放电循环性能测试，结果表明使用实施例3所配置电解液的锌/石墨双离子电池的循环稳定性优于使用对比例1和对比例2所配置电解液的锌/石墨双离子电池的循环稳定性。由于电解液中添加的辛二腈溶剂其两端都含有氰基官能团，两端的氰基拉电子效应在一定程度上抵消，因此，邻近氰基的甲基或亚甲基氢Lewis酸性减弱，不易脱去引发后续氧化分解反应，氧化稳定性大幅提升，进而从附图中可见实施例3所配置电解液的氧化稳定性显著高于对比例1和对比例2。
实施例4：
按照“具体实施方式”描述的方法进行电极制备和单体组装扣式锌/石墨双离子电池。
其中使用的电解液在手套箱中配置，其组成与配比（体积比）如下：
溶剂，按体积份数比：庚二腈9份，二甲基亚砜1份；
溶质：双三氟甲烷磺酰亚胺锌，在电解液中终浓度为1.5mol/L。
用移液枪移取所配置的电解液5mL置于三电极电化学池中，采用锌箔作为对电极和参比电极，采用钛箔作为工作电极，利用电化学工作站进行电解液的氧化分解电位和分解电流测试（参见图10-图12）。
图10中曲线（1）为实施例4中电解液的氧化分解电位测试，图10中曲线（2）为对比例1中电解液的氧化分解电位测试，图10中曲线（3）为对比例2中电解液的氧化分解电位测试。
图11中曲线（1）为实施例4中电解液在2.8V恒定电压下的分解电流随时间变化曲线，图11中曲线（2）为对比例1中电解液在2.8V恒定电压下的分解电流随时间变化曲线，图11中曲线（3）为对比例2中电解液在2.8V恒定电压下的分解电流随时间变化曲线。
结果表明使用实施例4所配置电解液的氧化分解起始电位显著高于对比例1和对比例2，使用实施例4所配置电解液在2.8V恒定电压下的分解电流显著小于对比例1和对比例2，均表明实施例4所配置电解液的氧化稳定性显著高于对比例1和对比例2。
图12中曲线（1）为实施例4中制备的锌/石墨双离子电池的充放电循环性能测试，图12中曲线（2）为对比例1中制备的锌/石墨双离子电池的充放电循环性能测试，图12中曲线（3）为对比例2中制备的锌/石墨双离子电池的充放电循环性能测试，结果表明使用实施例4所配置电解液的锌/石墨双离子电池的循环稳定性优于使用对比例1和对比例2所配置电解液的锌/石墨双离子电池的循环稳定性。由于电解液中添加的庚二腈溶剂其两端都含有氰基官能团，两端的氰基拉电子效应在一定程度上抵消，因此，邻近氰基的甲基或亚甲基氢Lewis酸性减弱，不易脱去引发后续氧化分解反应，氧化稳定性大幅提升，进而从附图中可见实施例4所配置电解液的氧化稳定性显著高于对比例1和对比例2。
由上述各实施例可见，本发明电解液中添加含二腈基溶剂，均能使得该电解液即使在2.8V（相对于锌/锌离子电对）的高电势下也基本不发生分解，从而大大提升了锌/石墨双离子电池的循环性能，同时，含二腈基的溶剂若是混合溶剂时，只要二腈基达到体系一半以上即可显著提升锌盐电解液的氧化稳定性。

Claims (9)

1.一种耐受高电压锌盐电解液，其特征在于，电解液由锌盐和有机溶剂组成，所述有机溶剂为含二腈基的溶剂。
2.根据权利要求1所述的耐受高电压锌盐电解液，其特征在于，所述电解液中锌盐终浓度为0.2−4mol/L。
3.根据权利要求1所述的耐受高电压锌盐电解液，其特征在于，所述含二腈基的溶剂为二腈类溶剂或含二腈类溶剂的混合溶剂。
4.根据权利要求3所述的耐受高电压锌盐电解液，其特征在于，所述二腈类溶剂为戊二腈、己二腈、庚二腈、辛二腈、壬二腈、癸二腈中的一种或几种的组合。
5.根据权利要求3所述的耐受高电压锌盐电解液，其特征在于，所述含二腈类溶剂的混合溶剂为二腈类溶剂与非二腈类溶剂的混合，其中，两类溶剂中二腈类溶剂占混合溶剂体积的50%−90%；所述非二腈类溶剂为乙腈、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、二甲亚砜、环丁砜中的一种或几种的混合。
6.根据权利要求1所述的耐受高电压锌盐电解液，其特征在于：所述锌盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锌、三氟甲烷磺酸锌、六氟磷酸锌、高氯酸锌、四氟硼酸锌中的一种或几种的组合。
7.一种双离子电池，包括锌负极、石墨正极、介于正负极之间的隔膜和电解液，其特征在于，所述电解液为权利要求1−6所述的耐受高电压锌盐电解液。
8.根据权利要求7所述的双离子电池，其特征在于：所述锌负极为锌片、锌箔、锌粉、锌合金中的一种或多种制成的负极片。
9.根据权利要求7所述的双离子电池，其特征在于：所述石墨正极的活性物质为天然石墨和人造石墨中的一种或两种的组合。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102022116245A1 (de) 2022-06-29 2024-01-04 Technische Universität Dresden Elektrolyt-Lösung für wieder aufladbare Hochleistungsbatterien und -kondensatoren

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