CN114552072B - 一种水系镁电池电解液 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水系镁电池电解液，包括一种或多种有机阴离子盐；所述有机阴离子盐包括羧酸盐、烷基硫酸盐和烷基磺酸盐；所述有机阴离子盐分为短碳链盐和长碳链盐；所述短碳链盐的碳原子数为1‑4个，所述长碳链盐的碳原子个数为4‑18；本发明首次提出将小分子有机阴离子盐作为水系镁电池的支持电解质，从而完全消除常规电解液中阴离子对钝化膜的破坏。通过优化碳链长度和官能团种类，在满足镁负极正常放电的前提下，可以有效避免放电过程中的析氢腐蚀问题，提高镁负极利用率。
Description
技术领域
本发明属于镁电池领域，具体涉及一种电解液在水系镁电池中的应用。
背景技术
金属镁是理想的化学电源负极材料，具有电极电位负(Mg+2OH-→Mg(OH)2+2e，E＝-2.69V vs.SHE)，比容量高(质量比容量2.2Ah/g、体积比容量3.8Ah/cm3)，地壳中储量丰富(2.33wt.％)，低成本和环境友好等优点，被应用在Mg/MnO2、Mg/CuCl、Mg/AgCl、镁/空气、镁/溶解氧电池中。但镁负极在常规的NaCl和MgClO4电解液中表现出严重的阳极析氢腐蚀问题，使其实际放电性能远低于理论值，在小电流密度下(≤10mA/cm2)，电流效率通常低于65％，考虑放电过程中电极反应的不均匀性，镁负极的利用率将更低。
研究者主要通过多元合金化的方法来提高镁负极的利用率(CN202010448918.8、CN202010441644.X、CN201911284967.6)，此外还通过添加缓蚀剂来提高镁合金的耐腐蚀性能(CN201910670260.2、CN201810400081.2、CN201711269431.8、CN104934634B)，包括硝酸镧、CTAB、十二烷基苯磺酸钠、乙酸钠、硅酸钠、松香咪唑啉季铵盐、海藻酸钠、硅酸钠和十二烷基硫酸盐等。然而，上述措施存在的问题是：1)合金元素的作用没有叠加效果；2)缓蚀剂无法消除Cl-对钝化膜的破坏，阳极析氢问题仍然存在。因此，镁负极的利用率仍处于较低水平。专利(CN103748738B)提出将离子交换材料作为金属空气电池的固体电解质材料，但具有大分子结构的离子聚物作为电解质时，因具有较低的离子电导率且无法溶解金属阳极的反应产物从而影响电池性能。因此，新型水系电解液的开发仍是提高镁电池的重要途径。
针对镁负极的阳极析氢问题，目前仍没有很好的解决方案。
发明内容
本发明针对镁负极的阳极析氢问题，发明了一种水系镁电池用新型电解液，旨在提高镁负极的利用率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明所提供的镁电池电解液由一种或几种有机阴离子盐的水溶液组成，上述有机阴离子盐包括羧酸盐、烷基硫酸盐和烷基磺酸盐。
优选地，上述有机阴离子盐的阳离子包括锂、钠和钾。
优选地，上述有机阴离子盐根据碳链的长度分为短碳链盐和长碳链盐。短碳链盐的碳原子数为1-4个，长碳链盐的碳原子个数为4-18。
优选地，上述短碳链有机阴离子盐的浓度范围为0.1M～其最大溶解度，上述长碳链有机阴离子盐的浓度范围为0M～其临界胶束浓度。
优选地，上述有机阴离子盐为短碳链盐，所述电解液中短碳链有机阴离子盐的浓度范围为0.5～3M。
上述镁电池电解液的制备方法是按照摩尔浓度添加适量的有机阴离子盐于去离子水中，通过容量瓶定容。
本发明另一方面还提供了一种使用上述电解液的水系镁电池。
有益效果
本发明中镁电池电解液采用羧酸根、烷基硫酸根和烷基磺酸根替代Cl-，不仅可以避免钝化膜破坏，而且可以维持钝化膜具有较高的离子电导率，有效抑制镁负极的阳极析氢，大幅提高其利用率。
本发明首次提出将小分子有机阴离子盐作为水系镁电池的支持电解质，从而完全消除常规电解液中阴离子对钝化膜的破坏，并通过优化碳链长度和官能团种类，在满足镁负极正常放电的前提下，可以有效避免放电过程中的析氢腐蚀问题，提高镁负极利用率。
进一步的，本发明所提供的短碳链有机阴离子盐由于具有更高的离子迁移速率且对钝化膜无明显的破坏作用，可以在维持放电反应正常进行的同时更好的抑制镁负极的析氢腐蚀。
具体实施方式
下述实施例对本发明进一步详细说明，并非限制本发明。
实施例1
本发明提出一种镁电池电解液，成分为1M乙酸钠。以AZ31镁合金为负极，氧还原空气电极为正极，在1、2、5、10mA/cm2电流密度下恒流放电至截止电压0V。根据放电电流乘以放电时间除以理论容量计算镁负极不同电流密度下的利用率分别为65％、72％、63％和75％，明显高于对比例中氯化钠电解液中的放电性能。
实施例2
本发明提出一种镁电池电解液，成分为1M丁酸钠。以AZ31镁合金为负极，氧还原空气电极为正极，在2mA/cm2电流密度下恒流放电至截止电压0V。根据放电电流乘以放电时间除以理论容量计算镁负极不同电流密度下的利用率为72％。
实施例3
本发明提出一种镁电池电解液，成分为3M乙酸钾。以AZ31镁合金为负极，氧还原空气电极为正极，在10mA/cm2电流密度下恒流放电至截止电压0V。根据放电电流乘以放电时间除以理论容量计算镁负极不同电流密度下的利用率为67％。
实施例4
本发明提出一种镁电池电解液，成分为2M乙酸钠。以AZ31镁合金为负极，氢析出电极为正极，在1mA/cm2电流密度下恒流放电至截止电压0V。根据放电电流乘以放电时间除以理论容量计算镁负极不同电流密度下的利用率为62％。
实施例5
本发明提出一种镁电池电解液，成分为1M乙基硫酸钠和0.02M葵烷基硫酸钠。以AZ31镁合金为负极，氧还原空气电极为正极，在1mA/cm2电流密度下恒流放电至截止电压0V。根据放电电流乘以放电时间除以理论容量计算镁负极不同电流密度下的利用率分别为63％。
实施例6
本发明提出一种镁电池电解液，成分为0.5M甲基磺酸钠和0.01M十一烷基硫酸钠。以AZ31镁合金为负极，氧还原空气电极为正极，在1mA/cm2电流密度下恒流放电至截止电压0V。根据放电电流乘以放电时间除以理论容量计算镁负极不同电流密度下的利用率分别为68％。
对比例1
镁电池电解液成分为3.5％氯化钠。以AZ31镁合金为负极，氧还原空气电极为正极，加入该电解液后在1、2、5、10mA/cm2电流密度下恒流放电至截止电压0V。根据放电电流乘以放电时间除以理论容量计算镁负极不同电流密度下的利用率分别为37％、46％、50％和49％。
对比例2
镁电池电解液成分为3.5％氯化钠+1M丁酸钠。以AZ31镁合金为负极，氧还原空气电极为正极，加入该电解液后在2mA/cm2电流密度下恒流放电至截止电压0V。根据放电电流乘以放电时间除以理论容量计算镁负极不同电流密度下的利用率分别为51％。
Claims (5)
1.一种水系镁电池电解液，其特征在于，所述电解液由一种或多种有机阴离子盐的水溶液组成；所述有机阴离子盐包括烷基硫酸盐和烷基磺酸盐；
所述有机阴离子盐中的阳离子包括锂、钠和钾中的一种或几种；
所述有机阴离子盐分为短碳链盐和长碳链盐；所述短碳链盐的碳原子数为1-4个，所述长碳链盐的碳原子个数为4-18。
2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述电解液中短碳链有机阴离子盐的浓度范围为0.1M～所述短碳链有机阴离子盐的最大溶解度；所述长碳链有机阴离子盐的浓度范围为0M～所述长碳链有机阴离子盐的临界胶束浓度。
3.根据权利要求2所述的电解液，其特征在于，所述电解液中短碳链有机阴离子盐的浓度范围为0.5～3M。
4.一种权利要求1所述的电解液的制备方法，其特征在于，所述方法为：将所述有机阴离子盐溶于去离子水中，定容至所需浓度，得到所述电解液。
5.一种水系镁电池，其特征在于，所述水系镁电池包括权利要求1所述的电解液。
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