CN118040092A - 一种高性能水系锌离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能水系锌离子电池，包括：锌合金负极片，其锌合金片材中包括以下质量百分数的组分：铜0.08～2.0，钛：0.06～0.40，锰：0.02～0.05，余量为锌；复合电解液，其包括电解液和电解液添加剂，电解液添加剂为氨基葡萄糖，电解液添加剂在电解液中的摩尔浓度为0.002mo l/L‑0.1mo l/L。本发明相较于现有技术，解决单一优化负极片材料或电解液的对电池的性能提高有限的问题。
Description
技术领域
本发明涉及水系锌离子电池技术领域，尤其涉及一种高性能水系锌离子电池。
背景技术
随着储能需求的不断增长，迫使人们不断加速开发低成本、环境友好、高稳定性以应对不同储能场景的下一代储能系统。
近些年来，水系电池因其低成本和高安全的优点而备受关注。其中，水系锌离子电池因其高理论质量比容量(820mAh g-1)和丰富的自然资源(锌在地壳中的含量为0.075％)以及锌在环境中的稳定性好等优势而脱颖而出，使其在大规模储能中显示出巨大的应用前景。然而，析氢反应、锌枝晶、锌腐蚀等有害副反应严重影响了水系锌离子电池的可逆性和稳定性，这极大的阻碍了其发展和实际应用。
为了解决这些问题，近几年，研究人员主要是通过对锌负极进行改性、电解液组成优化、隔膜修饰等方法来提高锌沉积/剥离的可逆性和效率，从而提高锌金属的稳定性。例如：CN116130795A公开了一种电解液添加剂及其在水系锌离子电池中的应用，所采用的添加剂为葡萄糖酸钠、硼酸和硫酸钠。优化后的电解液使得锌沉积具有良好的平整性和结晶细致性，从而锌枝晶生长、腐蚀及析氢得到了有效的抑制。CN117102441A发明了一种高取向的锌材料。该材料可以用作锌沉积外延的衬底，诱导锌沉积的有序生长，进而提高可充电锌金属电池的循环寿命。
但是，单一优化负极片材料或电解液的作用有限，锌负极仍然容易存在着枝晶、腐蚀和钝化等问题，使得水系锌离子电池的性能提高有限，电池性能依旧不能满足性能要求。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种高性能水系锌离子电池，以解决单一优化负极片材料或电解液对电池的性能提高有限的问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种高性能水系锌离子电池，包括：
锌合金负极片，其锌合金片材中包括以下质量百分数的组分：铜0.08～2.0，钛：0.06～0.40，锰：0.02～0.05，余量为锌；
复合电解液，其包括电解液和电解液添加剂，电解液添加剂为氨基葡萄糖，电解液添加剂在电解液中的摩尔浓度为0.002mo l/L-0.1mo l/L。
作为上述技术方案的进一步描述：
电解液为ZnSO4电解液。
作为上述技术方案的进一步描述：
电解液添加剂包括氨基葡萄糖盐酸盐、氨基葡萄糖硫酸盐中的一种或多种。
作为上述技术方案的进一步描述：
电解液添加剂包括氨基葡萄糖盐酸盐和氨基葡萄糖硫酸盐，氨基葡萄糖盐酸盐和氨基葡糖糖硫酸盐的摩尔比为1：1-3：1。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，在利用锌合金制备锌离子电池负极片的基础上，利用电解液中的添加剂的独特溶剂化作用，优化锌的沉积和剥离。锌负极表面沉积的锌平整性和结晶性较好，抑制了锌枝晶的生长，添加剂的溶剂化作用改变了Zn2+和H2O分子的溶剂化结构，减少了副反应，从而提高了锌金属负极的稳定性和循环稳定性，延长了充放电循环寿命。
2、本发明中，复合电解液的制备工艺简单快速，成本低廉，可以有效的提高Zn-MnO2电池的放电比容量和库伦效率，以实现高性能锌金属电池的制备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为基于本申请实施例中电解液添加剂的纯锌片和锌合金片在不同电解液中的线性扫描曲线。
图2为基于本申请实施例中电解液添加剂的纯锌片和锌合金片对称电池在不同电解液中的循环伏安曲线。
图3为基于本申请实施例中电解液添加剂的纯锌片和锌合金负极组装成的对称电池的时间-电压长循环图。
图4为基于本申请实施例中电解液添加剂的Zn//Cu和Zn合金//Cu电池的库伦效率图。
图5为基于本申请实施例中电解液添加剂的Zn//MnO2全电池充放电循环寿命图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
一种高性能水系锌离子电池，包括：
锌合金负极片，其锌合金片材中包括以下质量百分数的组分：铜0.08～2.0，钛：0.06～0.40，锰：0.02～0.05，余量为锌；
复合电解液，其包括ZnSO4电解液和电解液添加剂，电解液添加剂为氨基葡萄糖盐酸盐，电解液添加剂在电解液中的摩尔浓度为0.002mo l/L；
二氧化锰为正极。
实施例2
一种高性能水系锌离子电池，包括：
锌合金负极片，其锌合金片材中包括以下质量百分数的组分：铜0.08～2.0，钛：0.06～0.40，锰：0.02～0.05，余量为锌；
复合电解液，其包括ZnSO4电解液和电解液添加剂，电解液添加剂为氨基葡萄糖硫酸盐，电解液添加剂在电解液中的摩尔浓度为0.012mo l/L；
二氧化锰为正极。
实施例3
一种高性能水系锌离子电池，包括：
锌合金负极片，其锌合金片材中包括以下质量百分数的组分：铜0.08～2.0，钛：0.06～0.40，锰：0.02～0.05，余量为锌；
复合电解液，其包括ZnSO4电解液和电解液添加剂，电解液添加剂为氨基葡萄糖盐酸盐和氨基葡萄糖硫酸盐，氨基葡萄糖盐酸盐和氨基葡糖糖硫酸盐的摩尔比为2：1，电解液添加剂在电解液中的摩尔浓度为0.09mo l/L；
二氧化锰为正极。
对比例1
锌离子对称电池，包括纯锌负极、ZnSO4电解液。
对比例2
锌离子对称电池，包括与实施例3相同的锌合金负极片、ZnSO4电解液。
对比例3
锌离子对称电池，包括与实施例3相同的锌合金负极片、ZnSO4电解液，且ZnSO4电解液中添加与实施例3中相同的电解液添加剂。
对比例4
锌离子全电池，包括纯锌片负极、二氧化锰正极、ZnSO4电解液。
基于实施例3中方案组装的锌离子对称电池、非对称电池和全电池，与基于对比例1-4中方案组装的锌离子电池的试验结果对比如图1-5所示。
工作原理：电解液添加剂中氨基和羟基中的N和O原子所携带的孤对电子具有较高的电负性，其中含N的氨基倾向于吸附在锌合金的表面调节锌的沉积行为；含O的羟基易于与水形成氢键，改变锌合金负极表面的Zn2+与H2O分子的溶剂化结构，抑制锌合金表面溶剂化结构中结合水的反应活性，从而提高锌合金负极的耐腐蚀性能和循环稳定性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思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 (4)
1.一种高性能水系锌离子电池，其特征在于，包括：
锌合金负极片，其锌合金片材中包括以下质量百分数的组分：铜0.08～2.0，钛：0.06～0.40，锰：0.02～0.05，余量为锌；
复合电解液，其包括电解液和电解液添加剂，所述电解液添加剂为氨基葡萄糖，所述电解液添加剂在电解液中的摩尔浓度为0.002mol/L-0.1mol/L。
2.根据权利要求1所述的一种高性能水系锌离子电池，其特征在于，所述电解液为ZnSO4电解液。
3.根据权利要求1所述的一种高性能水系锌离子电池，其特征在于，所述电解液添加剂包括氨基葡萄糖盐酸盐、氨基葡萄糖硫酸盐中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的一种高性能水系锌离子电池，其特征在于，所述电解液添加剂包括氨基葡萄糖盐酸盐和氨基葡萄糖硫酸盐，氨基葡萄糖盐酸盐和氨基葡糖糖硫酸盐的摩尔比为1：1-3：1。
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