CN117096465A - 一种宽温域锌基共晶电解液及其应用 - Google Patents

一种宽温域锌基共晶电解液及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种宽温域锌基共晶电解液及其应用，该锌基共晶电解液由锌盐、氢键配体和金属离子的水溶液组成。本发明提供的深共晶电解液在‑30℃至70℃的宽温域内使得水系锌离子电池表现出优异的电化学性能，金属离子添加剂的加入加快了Zn2+传输，促使Zn2+均匀沉积和剥离，抑制了锌枝晶生长和析氢等副反应的发生。

Description

一种宽温域锌基共晶电解液及其应用
技术领域
本发明属于水系锌离子电池电解液技术领域，具体涉及一种宽温域锌基共晶电解液及其在水系锌离子电池中的应用。
背景技术
日益增长的储能需求推动了电化学储能市场的发展，目前市场上常用的电池各具优势，具有高比能量密度和长循环寿命的锂离子电池已经成为大多数储能设备的主要动力来源，但是，它所面临的环境污染、价格昂贵、安全隐患等诸多问题亟待解决。水系锌离子电池(AZIBs)由于其成本低、安全性高、清洁无污染、储能丰富、低氧化还原电位等优势优于传统电池，是新型储能技术领域的有力竞争者，在储能领域具有广阔的应用前景。虽然现阶段在水系锌离子电池方面取得了较大进展，但它们大多是在室温下完成的，无法与实际情况和某些特定领域相匹配，且析氢副反应和锌枝晶生长问题仍然存在。并且在低温下，水系电池易发生冻结使电池失效，冻结的电解质会使Zn2+传输动力学缓慢，导致其在电池上不均匀的沉积和剥离引起更严重的锌枝晶生长。在高温下，水分子活性增加，造成锌表面发生更严重的析氢副反应。需要开发一种宽温域、高性能的水系锌离子电池。
深共晶溶剂(DESs)作为一种由氢键供体(HBD)和受体(HBA)组成的共晶体系溶剂，具有环境友好、生物来源的可持续优势，近年来受到广泛关注。因此，进一步开发一种安全环保且具有宽温域的锌基共晶电解液，对推进水系锌离子电池在大规模储能领域的应用具有重要意义。
发明内容
针对现有水系锌离子电池的不足，本发明提供了一种宽温域锌基共晶电解液及其在水系锌离子电池中的应用，该方法制备的深共晶电解液能够有效抑制长循环中发生的锌枝晶生长和析氢腐蚀问题，保持锌负极的结构完整性，进而提高电池的长循环性能，并且能够拓宽水系锌离子电池的工作温度区间。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明首先公开了一种宽温域锌基共晶电解液，该电解液由锌盐、氢键配体和金属离子的水溶液组成。
优选地，锌盐和氢键配体的摩尔比为1:5～15，所述金属离子的水溶液在电解液中的体积分数为5～20％。
优选地，所述锌盐包括六水合高氯酸锌、氯化锌、三氟甲基磺酸锌中的至少一种。
优选地，所述氢键配体包括丁醇、甘油、二乙二醇乙醚和N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种。
优选地，所述金属离子的水溶液为浓度0.1～0.5mol/L的醋酸锂水溶液。
本发明还公开了上述宽温域锌基共晶电解液的制备方法：将锌盐和氢键配体混合均匀，水浴加热反应，再冷却至室温，然后加入金属离子的水溶液并搅拌至溶液澄清透明，得到所述宽温域锌基共晶电解液。
优选地，所述水浴加热反应的温度为50℃～80℃，反应时间为20min～40min。
本发明还提供了一种水系锌离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，其中所采用的电解液为本发明所述的宽温域锌基共晶电解液。
优选地，所述正极中含有正极活性物质，所述负极为锌片或锌箔，所述隔膜为玻璃纤维。
更优选地，当正极活性物质采用聚苯胺时，正极可按如下方法制得：将聚苯胺、导电剂科琴黑和粘结剂聚偏二氟乙烯以一定比例分散到N-甲基吡咯烷酮中，混合均匀涂布在钛片上，干燥后形成所述正极片。所述聚苯胺、科琴黑和聚聚偏二氟乙烯的质量比在7～8:1～2:1。
更优选地，作为负极的所述锌片或锌箔厚度为10～200μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明提供的宽温域锌基共晶电解液，锌盐和氢键配体混合形成共晶溶剂，在室温下呈现液体状态，通过氢键作用，提高了锌盐和氢键配体的溶解度，从而提高了电池的电导率以及电解液的稳定性。将金属离子添加剂引入至电解液，能够抑制负极表面析氢副反应的发生和锌枝晶生长，提升负极反应动力学，促进锌离子的迁移和反应，降低锌离子电池的极化和界面电阻。重要的是，本发明的电解液在宽温域(-30℃～70℃)下展现了较高的充放电容量和优异的循环稳定性，有效拓展了水系锌离子电池的工作温度区间，解决了高低温下锌负极副反应和枝晶生长的问题，极大延长了水系锌离子电池的使用寿命，在储能领域具有重要意义。不仅如此，本发明提供的宽温域锌基共晶电解液的制备方法，简单快速、成本低廉、安全绿色无污染，适合大规模推广应用。
附图说明
图1为实施例1、4和对比例1、2中的电解液组装的Zn-Zn电池在25℃下的长循环图；
图2为实施例1、2、3中的电解液组装的Zn-Zn电池在25℃下的长循环图；
图3为实施例5、6和对比例2中的电解液组装的Zn-Zn电池在25℃下的充放电循环性能图；
图4为实施例1、4和对比例1中的电解液组装的Zn-Zn电池在70℃下的充放电循环性能图；
图5为实施例1、4中的电解液组装的Zn-Zn电池在-30℃下的循环性能图；
图6为对比例1中的电解液组装的Zn-Zn电池在25℃循环后的锌箔电镜扫描图；
图7为对比例2中的电解液组装的Zn-Zn电池在25℃循环后的锌箔电镜扫描图；
图8为实施例1中的电解液组装的Zn-Zn电池在25℃循环后的锌箔电镜扫描图；
图9为对比例1中的电解液组装的Zn-Zn电池在70℃循环后的锌箔电镜扫描图；
图10为对比例2中的电解液组装的Zn-Zn电池在70℃循环后的锌箔电镜扫描图；
图11为实施例1中的电解液组装的Zn-Zn电池在70℃循环后的锌箔电镜扫描图；
图12为实施例1和对比例1、2中的电解液组装的Zn-Zn电池在25℃下的XRD测试图；
图13为实施例1和对比例1、2中的电解液组装的Zn-Zn电池在70℃下的XRD测试图；
图14为实施例1中和对比例1中的电解液组装的Zn-PANI全电池在25℃下的充放电循环性能图；
图15实施例1中和对比例1中的电解液组装的Zn-PANI全电池在50℃下的充放电循环性能图；
图16实施例1中的电解液组装的Zn-PANI全电池在-30℃下的充放电循环性能图。
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。
下述实施例中所使用实验方法如无特殊说明，均按常规方法进行。
下列实施例中所用试剂、材料等如无特殊说明，均可通过市售购买获得。
下述实施例中电池性能测试均采用新威电池测试系统。Zn-Zn对称电池的组装内容包括：两个打磨后的锌片分别置于正负极，电解液为下述实施例中制得的电解液，玻璃纤维为隔膜，组装成型号为2032纽扣电池。Zn-PANI全电池的组装内容包括：将聚苯胺(PANI)正极材料、科琴黑以及聚偏氟乙烯(PVDF)按照质量比为7:2:1混合均匀溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中制成浆料，然后均匀地涂于钛片上制成工作电极，使用下述实施例中制得的电解液，玻璃纤维为隔膜，组装成2032纽扣电池，测试电压范围为0.5V-1.6V vs.Zn/Zn2+。
实施例1
将六水合高氯酸锌与丁醇以1：9的摩尔比混合，在80℃水浴下搅拌反应30min，然后冷却至室温，加入浓度为0.3mol/L的醋酸锂水溶液(使其在最终电解液中的体积分数为10％)，常温条件下搅拌60min，得到澄清透明的电解液，命名为DEE-9-Li-0.3M10％。
实施例2
将六水合高氯酸锌与丁醇以1：9的摩尔比混合，在80℃水浴下搅拌反应30min，然后冷却至室温，加入浓度为0.1mol/L的醋酸锂水溶液(使其在最终电解液中的体积分数为10％)，常温条件下搅拌60min，得到澄清透明的电解液，命名为DEE-9-Li-0.1M10％。
实施例3
将六水合高氯酸锌与丁醇以1：9的摩尔比混合，在80℃水浴下搅拌反应30min，然后冷却至室温，加入浓度为0.5mol/L的醋酸锂水溶液(使其在最终电解液中的体积分数为10％)，常温条件下搅拌60min，得到澄清透明的电解液，命名为DEE-9-Li-0.5M10％。
实施例4
将六水合高氯酸锌与丁醇以1：9的摩尔比混合，在80℃水浴下搅拌反应30min，然后冷却至室温，加入浓度为0.3mol/L的醋酸锂水溶液(使其在最终电解液中的体积分数为5％)，常温条件下搅拌60min，得到澄清透明的电解液，命名为DEE-9-Li-0.3M5％。
实施例5
将六水合高氯酸锌与N,N-二甲基甲酰胺以1：9的摩尔比混合，在80℃水浴下搅拌反应30min，然后冷却至室温，加入浓度为0.3mol/L的醋酸锂水溶液(使其在最终电解液中的体积分数为10％)，常温条件下搅拌60min，得到澄清透明的电解液，命名为NEE-9。
实施例6
将氯化锌与丁醇以1：9的摩尔比混合，在80℃水浴下搅拌反应30min，然后冷却至室温，加入浓度为0.3mol/L的醋酸锂水溶液(使其在最终电解液中的体积分数为10％)，常温条件下搅拌60min，得到澄清透明的电解液，命名为SEE-9。
对比例1
将六水合高氯酸锌溶于少量去离子水，后转移至10mL容量瓶中，加水至刻度线后摇晃，完全溶解后得到1mol/L高氯酸锌电解液，命名为CEE-1。
对比例2
将六水合高氯酸锌与丁醇以1：9的摩尔比混合，在80℃水浴下搅拌反应30min，然后冷却至室温，得到相应溶液，命名为DEE-9。
对比例3
将六水合高氯酸锌与丁醇以1：12的摩尔比混合，在80℃水浴下搅拌反应30min，然后冷却至室温，得到相应溶液，命名为DEE-12。
图1为实施例1、4和对比例1、2的电解液组装的Zn-Zn电池在25℃下的长循环图。由图可知，使用对比例1所组装的对称电池，由于循环中的锌枝晶和析氢腐蚀等副反应，降低了电池的循环寿命。相比之下，本发明制备的锌基共晶电解液所组装的对称电池均大大延长了电池的循环圈数，具体来说，DEE-9可以循环800小时左右。同时加入不同体积分数的醋酸锂添加剂降低了共晶电解液的滞后电压，其中DEE-9-Li-0.3M5％有着最小的滞后电压(0.029V)和超过1000小时的稳定循环时间。
图2为实施例1、2、3的电解液组装的Zn-Zn电池在25℃下的长循环图。由图可知，通过改变醋酸锂的浓度能够调节电池的滞后电压和循环稳定性。0.3M的醋酸锂(0.029V)相较于0.1M(0.083V)有着更低的滞后电压，相较于0.5M有着更长的循环圈数和更稳定的循环性能。因此合适浓度的醋酸锂对提高电池的电化学性能尤为重要。
图3为实施例5、6和对比例2的电解液组装的Zn-Zn电池在25℃下的长循环图。由图可知，通过改变所选用的锌盐和氢键配体所配制的锌基共晶电解液相较于传统的电解液组装的Zn-Zn电池仍表现出更长的循环寿命。说明了本发明所制备锌基共晶电解液在锌离子电池中的通用性。当锌盐和氢键配体分别采用六水合高氯酸锌和丁醇时展示出更优异的电池循环性能。
图4为实施例1、4和对比例1的电解液组装的Zn-Zn电池在70℃下的长循环图。由图可知，在70℃条件下，对比例1电解液组装的电池只能循环100圈左右，而实施例4所选用锌基共晶电解液组装的Zn-Zn电池可循环550小时左右，实施例1所选用锌基共晶电解液组装的Zn-Zn电池可循环800小时左右，说明了本发明所制备锌基共晶电解液在高温条件下有较好的适用性。
图5为实施例1、4的电解液组装的Zn-Zn电池在-30℃下的长循环图。由图可知，两种锌基共晶电解液组装的Zn-Zn电池在低温下均可稳定循环600小时左右，且DEE-9-Li-0.3M10％在低温下仍表现出较小的滞后电压，具有优异的电化学性能。以及说明了本发明所制备锌基共晶电解液在低温条件下有较好的适用性。
图6、7和8分别为对比例1、2和实施例1的电解液所组装的Zn-Zn对称电池在25℃下循环100次后的锌箔的SEM图。由图可知，使用对比例1的传统电解液组装的Zn-Zn电池循环后的锌箔表面结构不均匀，生成大量锌枝晶和副产物；使用不加醋酸锂添加剂配制的电解液组装的Zn-Zn电池循环后的锌箔表面依然存在少量锌枝晶和副产物；而在实施例1中加入醋酸锂添加剂，循环后的锌箔表面锌沉积均匀，无锌枝晶和析氢副产物生成，验证本发明所制备锌基共晶电解液可以抑制枝晶和副产物的生成。
图9、10和11分别为对比例1、2和实施例1的电解液所组装的Zn-Zn对称电池在70℃下循环100次后的锌箔的SEM图。由图可知，由于高温下副反应速率的加快，对比例1中所选用传统电解液组装的Zn-Zn电池较常温循环下的锌箔表面产生了更多的枝晶和副产物。对比例2的电解液所组装的电池循环后的锌箔表面较前者有所改善，锌箔表面结构较为均匀。而实施例1中加入醋酸锂添加剂后组装的电池循环后的锌箔表面则保持相对完整的结构。
图12和图13分别为实施例1和对比例1、2的电解液所组装的Zn-Zn电池在25℃和70℃下循环100次后的锌箔的XRD对比图。由图可知，在25℃下对比例1传统电解液组装的Zn-Zn电池在循环100圈后锌箔表面产生了副产物ZnO，而实施例1和对比例2的电解液组装的Zn-Zn电池均抑制了副反应；高温70℃下循环100圈后对比例1、2电解液组装的Zn-Zn电池中锌箔表面均产生了更多的副产物(Zn(OH)2，Zn5(OH)8Cl2·H2O)，而实施例1中的锌基共晶电解液组装的Zn-Zn电池在循环100圈后锌箔表面上无副产物生成。验证本发明所制备锌基共晶电解液在高温下依然能够抑制枝晶和副产物的生成，保持优异的电化学性能。
图14为实施例1和对比例1中的电解液组装的Zn-PANI全电池在25℃下的循环性能对比图。由图可知，使用本发明制备的DEE-9-Li-0.3M10％电解液制备的全电池在1A/g电流下循环1500次后比容量可保持90.5mAh/g，容量保持率可达73.0％。而对比例1的传统电解液制备的全电池在充放电循环中比容量有所下降，且仅有前者的一半。这是由于传统电解液制备全电池发生的锌枝晶生长和副反应影响了电池的循环性能。
图15为实施例1和对比例1的电解液组装的Zn-PANI全电池在50℃下的长循环性能对比图。由图可知，使用DEE-9-Li-0.3M10％电解液制备的全电池在1A/g电流下循环500次后比容量较为稳定。而传统电解液制备的全电池的充电容量下降明显，可知在传统电解液中高温加剧了锌枝晶和副反应的发生。而本发明制备的锌基共晶电解液仍保持稳定的循环性能，展现出高温下的适用性。
图16为实施例1中的电解液组装的Zn-PANI全电池在-30℃下的充放电循环性能图。由图可知，使用DEE-9-Li-0.3M10％电解液制备的全电池在0.5A/g电流下可稳定循环500次。展现出低温下的适用性，进一步验证了本发明所制备锌基共晶电解液在宽温域下表现出的优异性能。
由上述实施例可见，本发明所制备的一种宽温域锌基共晶电解液及其在水系锌离子电池中的应用，可以提高水系锌离子电池在-30℃至70℃的宽温度窗口内的稳定性和可逆性。基于金属离子添加剂的共晶电解液整体表现出较高的充放电容量和库伦效率，构建出长循环性能的水系锌离子电池，提升了电池的循环稳定性。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，根据本发明的技术方案及其构思设想加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种宽温域锌基共晶电解液，其特征在于：所述电解液由锌盐、氢键配体和金属离子的水溶液组成。
2.根据权利要求1所述的宽温域锌基共晶电解液，其特征在于：锌盐和氢键配体的摩尔比为1:5～15，所述金属离子的水溶液在电解液中的体积分数为5～20％。
3.根据权利要求1或2所述的宽温域锌基共晶电解液，其特征在于：所述锌盐包括六水合高氯酸锌、氯化锌和三氟甲基磺酸锌中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的宽温域锌基共晶电解液，其特征在于：所述氢键配体包括丁醇、甘油、二乙二醇乙醚和N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种。
5.根据权利要求1或2所述的宽温域锌基共晶电解液，其特征在于，所述金属离子的水溶液为浓度0.1～0.5mol/L的醋酸锂水溶液。
6.一种权利要求1～5中任意一项所述的宽温域锌基共晶电解液的制备方法，其特征在于：将锌盐和氢键配体混合均匀，水浴加热反应，再冷却至室温，然后加入金属离子的水溶液并搅拌均匀，得到所述宽温域锌基共晶电解液。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述水浴加热反应的温度为50℃～80℃，反应时间为20min～40min。
8.一种宽温域锌基共晶水系锌离子电池，其特征在于，所述锌离子电池采用权利要求1～5中任意一项所述的宽温域锌基共晶电解液。
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