CN114447444A - 一种复配型添加剂电解液及其在水系锌离子电池中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复配型添加剂电解液及其在水系锌离子电池中的应用，所述电解液中加入了可以提高锌镀层表面平整性和结晶细致的添加剂，可诱导锌离子在锌负极表面均匀成核，抑制锌枝晶的生长，解决锌离子电池短路、锌负极可逆性差等问题。
Description
技术领域
本发明涉及水系锌离子电池技术领域，具体涉及一种复配型添加剂电解液及其在水系锌离子电池中的应用。
背景技术
于具有高能量密度、长循环寿命、大电压窗口、环保等优点，锂离子电池已被广泛应用于日常生活中。虽然具有很多优点，但锂离子电池仍然面临一些问题，比如成本高，电解液有毒、易燃、易挥发等。水系可充电锌离子电池由于其锌负极具有成本低、安全性高、稳定性好、易操作和比容量大(820mAh g-1)等优点有望弥补锂离子电池的这些缺陷。然而，水系锌离子电池仍然存在一些问题。其中，在充放电过程中，由于锌离子在锌负极表面不均匀成核，导致锌枝晶生长，这是影响锌离子电池循环寿命的重要因素之一。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明目的是解决锌离子电池锌枝晶生长的问题。为此，本发明提供了一种复配型添加剂电解液，电解液中加入了可以提高锌镀层表面平整性和结晶细致的添加剂，可诱导锌离子在锌负极表面均匀成核，抑制锌枝晶的生长，解决锌离子电池短路、锌负极可逆性差等问题。
本发明采取的具体技术方案是：
一种复配型添加剂电解液，所述电解液由苄叉丙酮、烷基酚聚氧乙烯醚、基体电解液均匀混合而成，所述基体电解液由水溶性锌盐溶解配制而成。
优选地，所述基体电解液中水溶性锌盐的浓度为0.1～5mol/L。
优选地，所述水溶性锌盐选自硫酸锌、氯化锌、硝酸锌中的一种。
优选地，所述电解液中，苄叉丙酮的浓度为0.01～0.1mM，烷基酚聚氧乙烯醚的浓度为0.01～0.5mM。
优选地，制备时，先将苄叉丙酮溶解于烷基酚聚氧乙烯醚中，得混合液，然后将该混合液加入基体电解液中，搅拌至完全溶解，得到透明溶液即电解液。
本发明还提供了上述电解液在水系锌离子电池中应用。
本发明还提供了一种水系锌离子电池，包括电池壳、极芯和电解液，所述的极芯和电解液密封于电池壳内，所述的极芯包括可与锌离子发生反应的正极片、锌负极和位于正负极之间的隔膜，所述的电解液为上述的电解液。
有益效果：本发明的电解液由苄叉丙酮、烷基酚聚氧乙烯醚、水溶性锌盐均匀混合而成。本发明中的苄叉丙酮作为一种整平剂，可以吸附在晶体生长点，促进锌沉积过程中均匀成核，从而抑制锌枝晶的形成和生长、减缓锌负极的腐蚀，显著提升水系锌离子电池的倍率性能和循环性能，延长电池的使用寿命。而烷基酚聚氧乙烯醚是一种表面活性剂，可以吸附在电极表面，使晶粒数量大大提高，因而可以大大减小在相同电流密度下沉积的锌晶粒的尺寸，提高结晶细致。此外，烷基酚聚氧乙烯醚可以提高苄叉丙酮的溶解度，协同作用，进一步促进成核及抑制锌枝晶的形成和生长，解决锌离子电池短路、锌负极可逆性差等问题。
附图说明
图1为实施例1及对比例1的锌对称电池循环寿命测试图。
图2为实施例2及对比例2的锌对称电池循环寿命测试图。
图3为实施例3及对比例3的锌对称电池循环寿命测试图。
图4为实施例4及对比例4的锌对称电池循环寿命测试图。
图5为实施例5的锌对称电池循环寿命测试图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
1.测试电解液的配置及基于其的水系锌离子电池组装：
配制2mol/L硫酸锌水溶液共20mL，加入0.15mg苄叉丙酮和1.5mg烷基酚聚氧乙烯醚，搅拌3小时至完全溶解，即得一种含苄叉丙酮和烷基酚聚氧乙烯醚复配型添加剂的电解液。将含苄叉丙酮和烷基酚聚氧乙烯醚复配型添加剂滴加到位于正负极之间的隔膜上，配合两个锌片组装至电池壳内，即得水系锌离子对称电池。
2.参比电解液的配置及基于其的水系锌离子电池组装：
参比电解液为2mol/L硫酸锌水溶液，使用参比电解液的水系锌离子电池的组装过程同上。
3.电化学性能测试：
分别对使用测试电解液和参比电解液的水系锌离子电池进行循环性能测试。
4.结果分析
如图1所示，测试电解液的水系锌离子电池在电流密度为1mA/cm2，容量为0.5mAh/cm2，循环寿命达700h，且极化电压在长时间内保持在100mV。而参比电解液的水系锌离子电池循环寿命仅有50次。说明本实施例测试电解液具备较强抑制锌枝晶形成和生长的能力,且有效减缓了电解液对锌负极的腐蚀，从而降低了水系锌离子电池的比容量损失，显著提升了水系锌离子电池的倍率性能和循环性能。
实施例2
1.测试电解液的配置及基于其的水系锌离子电池组装：
配制2mol/L氯化锌水溶液共20mL，加入0.15mg苄叉丙酮和1.5mg烷基酚聚氧乙烯醚，搅拌3小时至完全溶解，即得一种含苄叉丙酮和烷基酚聚氧乙烯醚复配型添加剂的电解液。将含苄叉丙酮和烷基酚聚氧乙烯醚复配型添加剂滴加到位于正负极之间的隔膜上，配合两个锌片组装至电池壳内，即得水系锌离子对称电池。
2.参比电解液的配置及基于其的水系锌离子电池组装：
参比电解液为2mol/L氯化锌水溶液，使用参比电解液的水系锌离子电池的组装过程同上。
3、电化学性能测试：
分别对使用测试电解液和参比电解液的水系锌离子电池进行循环性能测试。
4.结果分析
如图2所示，测试电解液的水系锌离子电池在电流密度为1mA/cm2，容量为0.5mAh/cm2，循环寿命达310h，且极化电压在长时间内保持在100mV。而参比电解液的水系锌离子电池循环寿命仅有20次。说明本实施例测试电解液具备较强抑制锌枝晶形成和生长的能力,且有效减缓了电解液对锌负极的腐蚀，从而降低了水系锌离子电池的比容量损失，显著提升了水系锌离子电池的倍率性能和循环性能。
实施例3
1.测试电解液的配置及基于其的水系锌离子电池组装：
配制2mol/L硝酸锌水溶液共20mL，加入0.15mg苄叉丙酮和1.5mg烷基酚聚氧乙烯醚，搅拌3小时至完全溶解，即得一种含苄叉丙酮和烷基酚聚氧乙烯醚复配型添加剂的电解液。将含苄叉丙酮和烷基酚聚氧乙烯醚复配型添加剂滴加到位于正负极之间的隔膜上，配合两个锌片组装至电池壳内，即得水系锌离子对称电池。
2.参比电解液的配置及基于其的水系锌离子电池组装：
参比电解液为2mol/L硝酸锌水溶液，使用参比电解液的水系锌离子电池的组装过程同上。
3、电化学性能测试：
分别对使用测试电解液和参比电解液的水系锌离子电池进行循环性能测试。
4.结果分析
如图3所示，测试电解液的水系锌离子电池在电流密度为1mA/cm2，容量为0.5mAh/cm2，循环寿命为110h。而参比电解液的水系锌离子电池循环寿命仅有20次。说明本实施例测试电解液具备较强抑制锌枝晶形成和生长的能力,且有效减缓了电解液对锌负极的腐蚀，从而降低了水系锌离子电池的比容量损失，显著提升了水系锌离子电池的倍率性能和循环性能。
实施例4
1.测试电解液的配置及基于其的水系锌离子电池组装：
配制1mol/L硫酸锌水溶液共20mL，加入0.15mg苄叉丙酮和1.5mg烷基酚聚氧乙烯醚，搅拌3小时至完全溶解，即得一种含苄叉丙酮和烷基酚聚氧乙烯醚复配型添加剂的电解液。将含苄叉丙酮和烷基酚聚氧乙烯醚复配型添加剂滴加到位于正负极之间的隔膜上，配合两个锌片组装至电池壳内，即得水系锌离子对称电池。
2.参比电解液的配置及基于其的水系锌离子电池组装：
参比电解液为1mol/L硫酸锌水溶液，使用参比电解液的水系锌离子电池的组装过程同上。
3.电化学性能测试：
分别对使用测试电解液和参比电解液的水系锌离子电池进行循环性能测试。
4.结果分析
如图4所示，测试电解液的水系锌离子电池在电流密度为1mA/cm2，容量为0.5mAh/cm2，循环寿命达650h，且极化电压在长时间内保持在100mV。而参比电解液的水系锌离子电池循环寿命仅有20次。说明本实施例测试电解液具备较强抑制锌枝晶形成和生长的能力,且有效减缓了电解液对锌负极的腐蚀，从而降低了水系锌离子电池的比容量损失，显著提升了水系锌离子电池的倍率性能和循环性能。
实施例5
1.测试电解液的配置及基于其的水系锌离子电池组装：
配制2mol/L硫酸锌水溶液共20mL，加入0.1mg苄叉丙酮和1.0mg烷基酚聚氧乙烯醚，搅拌3小时至完全溶解，即得一种含苄叉丙酮和烷基酚聚氧乙烯醚复配型添加剂的电解液。将含苄叉丙酮和烷基酚聚氧乙烯醚复配型添加剂滴加到位于正负极之间的隔膜上，配合两个锌片组装至电池壳内，即得水系锌离子对称电池。
2.电化学性能测试：
分别对使用测试电解液和参比电解液的水系锌离子电池进行循环性能测试。
3.结果分析
如图5所示，测试电解液的水系锌离子电池在电流密度为1mA/cm2，容量为0.5mAh/cm2，循环寿命达420h，且极化电压在长时间内保持在100mV。说明本实施例测试电解液具备较强抑制锌枝晶形成和生长的能力,且有效减缓了电解液对锌负极的腐蚀，从而降低了水系锌离子电池的比容量损失，显著提升了水系锌离子电池的倍率性能和循环性能。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种复配型添加剂电解液，其特征在于，所述电解液由苄叉丙酮、烷基酚聚氧乙烯醚、基体电解液均匀混合而成，所述基体电解液由水溶性锌盐溶解配制而成。
2.根据权利要求1所述一种复配型添加剂电解液，其特征在于，所述基体电解液中水溶性锌盐的浓度为0.1～5mol/L。
3.根据权利要求1所述一种复配型添加剂电解液，其特征在于，所述水溶性锌盐选自硫酸锌、氯化锌、硝酸锌中的一种。
4.根据权利要求1所述一种复配型添加剂电解液，其特征在于，所述电解液中，苄叉丙酮的浓度为0.01～0.1mM，烷基酚聚氧乙烯醚的浓度为0.01～0.5mM。
5.制备权利要求1所述一种复配型添加剂电解液的方法，其特征在于，先将苄叉丙酮溶解于烷基酚聚氧乙烯醚中，得混合液，然后将该混合液加入基体电解液中，搅拌至完全溶解，得到透明溶液即电解液。
6.权利要求1所述复配型添加剂电解液或权利要求5所述方法制备的电解液作为电解液在水系锌离子电池中应用。
7.一种水系锌离子电池，其特征在于，包括电池壳、极芯和电解液，所述的极芯和电解液密封于电池壳内，所述的极芯包括可与锌离子发生反应的正极片、锌负极和位于正负极之间的隔膜，所述的电解液为权利要求1所述复配型添加剂电解液或权利要求5所述方法制备的电解液。
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