CN118173910A - 一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液及其应用 - Google Patents
一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液及其应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118173910A CN118173910A CN202410282627.4A CN202410282627A CN118173910A CN 118173910 A CN118173910 A CN 118173910A CN 202410282627 A CN202410282627 A CN 202410282627A CN 118173910 A CN118173910 A CN 118173910A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electrolyte
- zinc ion
- battery
- zinc
- water
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- PTFCDOFLOPIGGS-UHFFFAOYSA-N Zinc dication Chemical compound [Zn+2] PTFCDOFLOPIGGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 126
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 title claims abstract description 93
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 64
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims abstract description 18
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 159000000000 sodium salts Chemical class 0.000 claims abstract description 12
- 150000003751 zinc Chemical class 0.000 claims abstract description 10
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- YPFDHNVEDLHUCE-UHFFFAOYSA-N propane-1,3-diol Chemical group OCCCO YPFDHNVEDLHUCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- XGPOMXSYOKFBHS-UHFFFAOYSA-M sodium;trifluoromethanesulfonate Chemical group [Na+].[O-]S(=O)(=O)C(F)(F)F XGPOMXSYOKFBHS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 12
- ZMLPZCGHASSGEA-UHFFFAOYSA-M zinc trifluoromethanesulfonate Chemical group [Zn+2].[O-]S(=O)(=O)C(F)(F)F ZMLPZCGHASSGEA-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 12
- CITILBVTAYEWKR-UHFFFAOYSA-L zinc trifluoromethanesulfonate Substances [Zn+2].[O-]S(=O)(=O)C(F)(F)F.[O-]S(=O)(=O)C(F)(F)F CITILBVTAYEWKR-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 12
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 9
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 7
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 7
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 3
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 40
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 37
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 36
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 35
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 25
- DNIAPMSPPWPWGF-UHFFFAOYSA-N Propylene glycol Chemical compound CC(O)CO DNIAPMSPPWPWGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 22
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 12
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 11
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 11
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 10
- DNIAPMSPPWPWGF-VKHMYHEASA-N (+)-propylene glycol Chemical compound C[C@H](O)CO DNIAPMSPPWPWGF-VKHMYHEASA-N 0.000 description 9
- 229940035437 1,3-propanediol Drugs 0.000 description 9
- 229920000166 polytrimethylene carbonate Polymers 0.000 description 9
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 8
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 8
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 8
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 6
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 6
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 150000003254 radicals Chemical class 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 4
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 3
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 3
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000007614 solvation Methods 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 1
- TVZPLCNGKSPOJA-UHFFFAOYSA-N copper zinc Chemical compound [Cu].[Zn] TVZPLCNGKSPOJA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- QNDQILQPPKQROV-UHFFFAOYSA-N dizinc Chemical compound [Zn]=[Zn] QNDQILQPPKQROV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009881 electrostatic interaction Effects 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000003446 ligand Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- -1 trifluoromethane sulfonate ions Chemical class 0.000 description 1
- NWONKYPBYAMBJT-UHFFFAOYSA-L zinc sulfate Chemical compound [Zn+2].[O-]S([O-])(=O)=O NWONKYPBYAMBJT-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229960001763 zinc sulfate Drugs 0.000 description 1
- 229910000368 zinc sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
本发明属于水系锌离子电池技术领域，公开了一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液及其应用。所述电解液包含：二元醇有机溶剂、水、有机锌盐和有机钠盐；所述二元醇有机溶剂的体积分数为85～95％；所述水的体积分数为5～15％。本发明提供的电解液能够提高电池正负极稳定性、使用的安全性和电池寿命，电解液具有价格低廉、环保、制备方法简单、适用范围广等固有优势，在锌离子电池以及其它潜在新能源电池领域具有较大的应用前景和研究价值。
Description
技术领域
本发明涉及水系锌离子电池技术领域，尤其涉及一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液及其应用。
背景技术
锌离子电池在日常生活中的广泛应用，给我们的生活带来了极大的便利。水系锌离子电池具有高容量(锌负极820mAh·g-1，5855mAh·cm-3)、成本低廉、环境友好等优点，并且锌金属可以稳定存在于空气环境中，在大规模的储能技术中展现出了巨大的潜力。但在锌离子电池中，水分子的强极性引发了锌金属阳极和阴极的劣化，在负极侧，自由基水分子引起锌的腐蚀和钝化，枝晶生长和析氢反应；在正极侧，活性物质的溶解和不充分利用导致了电池的容量衰减，并降低了循环寿命。因此，锌离子电池存在着经济成本高、安全性低等问题。
为了减少循环过程中出现的副反应，目前主要的解决方案可以分为调控电解液溶剂化结构和修饰电极表面结构。但对于电极材料的结构修饰和可控合成，解决该问题的操作较为繁琐，耗费周期较长。而电解液的制备方法简单，耗时短、见效快，并且在锌基储能器件中与正负极直接接触，调控电解液可以限制电解液中自由基水分子的活性，同时对锌金属正负极与电解液界面处的副反应进行限制，提升电池的循环稳定性。因此，研究一种提高循环稳定性的电解液可以有效推动新型储能技术的发展与应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液及其应用，解决现有锌离子电池电解液无法有效限制电解液中自由基水分子的活性、无法有效限制正负极与电解液界面处副反应的问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液，包含以下原料：二元醇有机溶剂、水、有机锌盐和有机钠盐；
以所述二元醇有机溶剂与所述水的总体积分数100％为基准，所述二元醇有机溶剂的体积分数为85～95％；所述水的体积分数为5～15％。
优选的，在所述一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液中，所述二元醇有机溶剂为1,3-丙二醇。
优选的，在所述一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液中，所述水为去离子水。
优选的，在所述一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液中，所述有机锌盐为三氟甲烷磺酸锌。
优选的，在所述一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液中，所述有机钠盐为三氟甲烷磺酸钠。
优选的，在所述一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液中，所述有机锌盐的浓度为0.5～2mol/L，所述有机钠盐的浓度为0.5～2mol/L。
优选的，在所述一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液中，所述二元醇有机溶剂的体积分数为90％，所述水的体积分数为10％。
本发明还提供了一种所述用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液在锌离子电池中的应用。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供的电解液含羟基，可诱导锌离子以(002)晶面织构的形式水平沉积，沉积层致密且均匀，抑制了枝晶的形成，在一定程度上能够防止电池在使用过程中胀包、漏液、爆炸等问题，提高电池正负极稳定性、使用的安全性和电池寿命；并且，利用本发明的电解液制备的锌离子电池具有优异的循环寿命、长循环稳定性和比容量。
(2)本发明提供的电解液可以打破原始水溶液的氢键网络，降低自由基水分子的活性，削弱了锌离子与三氟甲烷磺酸根离子的静电相互作用，从而提升锌离子转移数，提升了HER的过电势；另一方面，丙二醇分子可优先在锌负极表面吸附，构筑屏蔽层，以阻碍后续沉积的锌离子发生二维扩散从而抑制枝晶生长。
(3)通常情况下，在酸性/中性电解液中，锌离子周围有6个配位的位置，就会有总数为6个的阴离子和溶剂分子的氧原子与锌离子进行配位结合，形成锌离子的溶剂化结构(如图17中的实施例2、对比例1～2)。本发明提供的电解液中含有1,3-丙二醇，1,3-丙二醇分子的两端均为羟基官能团。在本发明的实施例1中，锌离子周围的6个配位位置仅有5个配体，具体为1个水分子，1个OTf-阴离子，还有3个1,3-丙二醇分子，每个丙二醇分子两端的羟基官能团均与锌离子进行了配位结合，离子配位的示意图如图17所示，通过充分利用丙二醇分子的空间结构和官能团，构建了独特的锌离子溶剂化结构，实现了对MnHCF电极材料溶解的抑制，显著提高了水系锌离子电池的电化学性能。
(4)本发明提供的电解液具有价格低廉、环保、制备方法简单、适用范围广等固有优势，在锌离子电池以及其它潜在新能源电池领域具有较大的应用前景和研究价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为应用例1的水系锌离子对称电池在循环20次后锌负极表面的SEM图，标尺为1μm；
图2为应用例1的水系锌离子对称电池的恒电流循环图；
图3为应用例1的水系锌离子非对称电池的库伦效率图；
图4为应用例1的水系锌离子全电池的电压比容量图；
图5为对比应用例1的水系锌离子对称电池在循环20次后锌负极表面的SEM图，标尺为1μm；
图6为对比应用例1的水系锌离子对称电池的恒电流循环图；
图7为对比应用例1的水系锌离子非对称电池的库伦效率图；
图8为对比应用例1的水系锌离子全电池的电压比容量图；
图9为对比应用例2的水系锌离子对称电池在循环20次后锌负极表面的SEM图，标尺为1μm；
图10为对比应用例2的水系锌离子对称电池的恒电流循环图；
图11为对比应用例2的水系锌离子非对称电池的库伦效率图；
图12为对比应用例2的水系锌离子全电池的电压比容量图；
图13为应用例2的水系锌离子对称电池在循环20次后锌负极表面的SEM图，标尺为1μm；
图14为应用例2的水系锌离子对称电池的恒电流循环图；
图15为应用例2的水系锌离子非对称电池的库伦效率图；
图16为应用例2的水系锌离子全电池的电压比容量图；
图17为实施例1～2、对比例1～2的电解液中锌离子的配位示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液，包含以下原料：二元醇有机溶剂、水、有机锌盐和有机钠盐；
以所述二元醇有机溶剂与所述水的总体积分数100％为基准，所述二元醇有机溶剂的体积分数为85～95％；所述水的体积分数为5～15％。
在本发明中，所述二元醇有机溶剂优选为1,3-丙二醇。
在本发明中，所述水优选为去离子水。
在本发明中，所述有机锌盐优选为三氟甲烷磺酸锌。
在本发明中，所述有机钠盐优选为三氟甲烷磺酸钠。
本发明选用三氟甲烷磺酸锌和三氟甲烷磺酸钠的原因是：二者均为有机盐，本身不含有结晶水。而常用的硫酸锌、硫酸钠等无机盐往往含有结晶水，制备电解液时会改变原始电解液中二元醇与水的体积分数之比，进而影响电解液的应用性能。
本发明在电解液中添加钠盐的原因是：钠盐可以解离出钠离子，在电池循环时，钠离子可以嵌入/脱出MnHCF电极材料，从而提高电池的容量。
在本发明中，所述二元醇有机溶剂的体积分数优选为90～95％，进一步优选为90～92％，更优选为90％。
在本发明中，所述水的体积分数优选为5～10％，进一步优选为8～10％，更优选为10％。
本发明添加85～95％体积分数的二元醇有机溶剂的原因是：将二元醇少量(如10vt.％)添加在电解液中时，在负极一侧，会造成锌电极表面的沉积形貌以枝晶为主，长时间循环后会使得电池寿命降低，甚至短路失效；在正极一侧，电解液中具有强极性的大量自由基水分子会加速MnHCF电极材料的溶解，使得电池循环工作时，实际容量大幅度减少，电池寿命大大降低。
在本发明中，所述有机锌盐的浓度优选为0.5～2mol/L，进一步优选为1～1.5mol/L，更优选为1mol/L。
在本发明中，所述有机钠盐的浓度优选为0.5～2mol/L，进一步优选为1～1.5mol/L，更优选为1mol/L。
本发明还提供了一种所述用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液在锌离子电池中的应用。本发明对所述应用的方法不进行限定，采用本领域技术人员熟知的方案即可。
下面将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
本实施例提供一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液，包含以下原料：4.5mL 1,3-丙二醇、0.5mL去离子水、1.8547g三氟甲烷磺酸锌和0.8778g三氟甲烷磺酸钠。
本实施例还提供了上述电解液的制备方法，包括以下步骤：
取4.5mL 1,3-丙二醇与0.5mL去离子水配置5mL混合溶液，加入1.8547g三氟甲烷磺酸锌与0.8778g三氟甲烷磺酸钠；在室温下磁力搅拌和超声分散上述混合液，加速溶解，得到丙二醇体积分数为90％的电解液，记为90％PDO+10％H2O+1m Zn(OTf)2+1m NaOTf电解液。
对比例1
本对比例提供一种锌离子电池电解液，包含以下原料：5mL去离子水、1.8547g三氟甲烷磺酸锌和0.8778g三氟甲烷磺酸钠。
本对比例还提供了上述电解液的制备方法，包括以下步骤：
取5mL去离子水，加入1.8547g三氟甲烷磺酸锌与0.8778g三氟甲烷磺酸钠；在室温下磁力搅拌和超声分散上述混合液，加速溶解，得到丙二醇体积分数为0％的电解液，记为H2O+1m Zn(OTf)2+1mNaOTf电解液。
对比例2
本对比例提供一种锌离子电池电解液，包含以下原料：5mL 1,3-丙二醇、1.8547g三氟甲烷磺酸锌和0.8778g三氟甲烷磺酸钠。
本对比例还提供了上述电解液的制备方法，包括以下步骤：
取5mL 1,3-丙二醇，加入1.8547g三氟甲烷磺酸锌与0.8778g三氟甲烷磺酸钠；在室温下磁力搅拌和超声分散上述混合液，加速溶解，得到丙二醇体积分数为100％的电解液，记为PDO+1m Zn(OTf)2+1mNaOTf电解液。
实施例2
本实施例提供一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液，包含以下原料：4.75mL 1,3-丙二醇、0.25mL去离子水、1.8547g三氟甲烷磺酸锌和0.8778g三氟甲烷磺酸钠。
本实施例还提供了上述电解液的制备方法，包括以下步骤：
取4.5mL 1,3-丙二醇与0.5mL去离子水配置5mL混合溶液，加入1.8547g三氟甲烷磺酸锌与0.8778g三氟甲烷磺酸钠；在室温下磁力搅拌和超声分散上述混合液，加速溶解，得到丙二醇体积分数为95％的电解液，记为95％PDO+5％H2O+1m Zn(OTf)2+1mNaOTf电解液。
应用例1
裁剪电极片和隔膜
将厚度为0.01mm的高纯锌箔(99.99％)用压片机裁剪成直径为12mm的圆型锌片。将GF/A玻璃纤维隔膜用压片机裁剪成直径为16mm的圆片。将厚度为0.001mm的铜箔用压片机裁剪成直径为12mm的圆型铜片。将在碳能碳布上涂抹MnHCF的电极材料用压片机裁剪成直径为12mm的圆型极片。
应用例1中的纽扣电池型号为CR2032。
组装锌锌对称电池
将圆型锌片分别作为纽扣电池的正、负极极片。先将弹片放入负极壳中，然后放入垫片，再放负极极片，将GF/A玻璃纤维隔膜放在负极极片上，再滴入80μL实施例1制备的电解液，之后在隔膜上方再放入正极极片，最后扣上正极壳，利用电池封装机将电池封装好，即得到一枚含实施例1电解液的水系锌离子对称电池，记为90％PDO+10％H2O+1m Zn(OTf)2+1m NaOTf对称电池。
组装锌铜非对称电池
将圆形铜片和圆型锌片分别作为纽扣电池的正、负极极片。先将弹片放入负极壳中，然后放入垫片，再放负极极片，将GF/A玻璃纤维隔膜放在负极极片上，再滴入80μL实施例1制备的电解液，之后在隔膜上方再放入正极极片，最后扣上正极壳，利用电池封装机将电池封装好，即得到一枚含实施例1电解液的水系锌离子非对称电池，记为90％PDO+10％H2O+1mZn(OTf)2+1mNaOTf非对称电池。
组装全电池
将碳能碳布上涂抹MnHCF的电极材料和圆型锌片分别作为纽扣电池的正、负极极片。先将弹片放入负极壳中，然后放入垫片，再放负极极片，将GF/A玻璃纤维隔膜放在负极极片上，再滴入80μL实施例1制备的电解液，之后在隔膜上方再放入正极极片，最后扣上正极壳，利用电池封装机将电池封装好，即得到一枚含实施例1电解液的水系锌离子全电池，记为90％PDO+10％H2O+1m Zn(OTf)2+1m NaOTf全电池。
对比应用例1～2、应用例2
对比应用例1～2、应用例2与应用例1的区别在于，将实施例1制备的电解液分别替换为对比例1、对比例2或实施例2制备的电解液，其余条件和参数与应用例1相同。
图1是应用例1的水系锌离子对称电池在电流密度为1mA·cm-2、面积容量为0.5mAh·cm-2下循环20次后锌负极表面的SEM图。可以看出，采用实施例1电解液的水系锌离子对称电池的锌负极表面整洁且致密光滑，展现出沿着(002)晶面的生长取向，这表明本发明实施例1制备的电解液可以有效改善水系锌离子电池锌负极表面，进而提高电池的电化学性能。
在电流密度为1mA·cm-2、面积容量为0.5mAh·cm-2下，对应用例1的水系锌离子对称电池进行恒流充放电测试，结果如图2所示。可以看出，应用例1的水系锌离子对称电池有着4000h的循环寿命，且极化电压较小，呈现平稳地缓慢增长，这证明了已形成(002)晶面织构，抑制了枝晶的形成，有利于抑制析氢和腐蚀，这表明应用本发明实施例1的电解液缓解了副反应的发生，最终实现了水系锌离子对称电池较高的循环稳定性。
在电流密度为1mA·cm-2、充电截止电压为0.5V、放电面积容量为0.5mAh·cm-2下，对应用例1的水系锌离子非对称电池进行恒流充放电测试，结果如图3所示。库伦效率是评价锌电镀/剥离好坏的重要参数。应用例1的水系锌离子非对称电池的平均库伦效率为99.24％，波动较小，同时能稳定循环2000圈左右，展现了电极-电解液界面的高度稳定，表明本发明实施例1制备的电解液，有利于阳极-电解液界面的锌离子均匀传输，增强了锌负极电镀/剥离的可逆性，最终实现了水系锌离子非对称电池优异的循环性能。
在电流密度为1A·g-1下，对应用例1的水系锌离子全电池进行恒流充放电测试，结果如图4所示。容量保持率用来评价水系锌离子全电池循环后活性物质衰减的参数。应用例1的水系锌离子全电池的首圈放电比容量为121.7mAh·g-1；在循环50圈后，放电比容量为121.3mAh·g-1，有着99.67％的超高容量保持率，表明本发明实施例1制备的电解液，减缓了MnHCF电极材料的溶解，最终实现了水系锌离子全电池稳定的容量保持性能。
图5是对比应用例1的水系锌离子对称电池在电流密度为1mA·cm-2、面积容量为0.5mAh·cm-2下循环20次后锌负极表面的SEM图。可以看出，采用对比例1电解液的水系锌离子对称电池的锌负极表面出现了枝晶状的形貌，这种由于“尖端效应”导致的副反应，缩短了水系锌离子电池的循环寿命。
在电流密度为1mA·cm-2、面积容量为0.5mAh·cm-2下，对对比应用例1的水系锌离子对称电池进行恒流充放电测试，结果如图6所示。可以看出，对比应用例1的水系锌离子对称电池有着742h的循环寿命，虽然极化电压较小，但循环寿命低，这对应着枝晶、析氢等副反应的发生，影响了水系锌离子对称电池的电化学性能。
在电流密度为1mA·cm-2、充电截止电压为0.5V、放电面积容量为0.5mAh·cm-2下，对对比应用例1的水系锌离子非对称电池进行恒流充放电测试，结果如图7所示。库伦效率是评价锌电镀/剥离好坏的重要参数。对比应用例1的水系锌离子非对称电池的平均库伦效率为91.07％，波动较大，仅循环160圈左右，展现了电极-电解液界面的不稳定，不利于阳极-电解液界面的锌离子均匀传输，减弱了锌负极电镀/剥离的可逆性。
在电流密度为1A·g-1下，对对比应用例1的水系锌离子全电池进行恒流充放电测试，结果如图8所示。容量保持率用来评价水系锌离子全电池循环后活性物质衰减的参数。对比应用例1的水系锌离子全电池的首圈放电比容量为55.3mAh·g-1；在循环50圈后，放电比容量为25.1mAh·g-1，容量保持率仅为45.39％，这是因为MnHCF电极材料的溶解加剧，导致水系锌离子全电池的容量衰减严重。
图9是对比应用例2的水系锌离子对称电池在电流密度为1mA·cm-2、面积容量为0.5mAh·cm-2下循环20次后锌负极表面的SEM图。可以看出，采用对比例2电解液的水系锌离子对称电池的锌负极表面疏松，出现多个孔洞，未有效改善水系锌离子对称电池的锌负极表面，会对电池的电化学性能造成影响。
在电流密度为1mA·cm-2、面积容量为0.5mAh·cm-2下，对对比应用例2的水系锌离子对称电池进行恒流充放电测试，结果如图10所示。可以看出，对比应用例2的水系锌离子对称电池有着133h的循环寿命，但极化电压大，表明循环过程中的副反应严重，导致水系锌离子对称电池的界面不稳定，电池的循环寿命大大降低。
在电流密度为1mA·cm-2、充电截止电压为0.5V、放电面积容量为0.5mAh·cm-2下，对对比应用例2的水系锌离子非对称电池进行恒流充放电测试，结果如图11所示。库伦效率是评价锌电镀/剥离好坏的重要参数。虽然对比应用例2的水系锌离子非对称电池的平均库伦效率为98.87％，波动较小，但仅能稳定循环204圈左右，表明阳极-电解液界面的锌离子传输阻力较大，锌负极电镀/剥离的可逆性较差，最终影响了水系锌离子非对称电池的循环性能。
在电流密度为1A·g-1下，对对比应用例2的水系锌离子全电池进行恒流充放电测试，结果如图12所示。容量保持率用来评价水系锌离子全电池循环后活性物质衰减的参数。对比应用例2的全电池的首圈放电比容量为63.1mAh·g-1；在循环50圈后，放电比容量为58.9mAh·g-1，容量保持率为93.34％，表明对比例2的电解液虽然可以减缓MnHCF电极材料的溶解，但是该效果并不明显，并且也未激活MnHCF电极材料的活性位点，导致电池的比容量不高。
图13是应用例2的水系锌离子对称电池在电流密度为1mA·cm-2、面积容量为0.5mAh·cm-2下循环20圈后锌负极表面的SEM图。可以看出，采用实施例2电解液的水系锌离子对称电池的锌负极表面整较为平滑，具有(002)晶面的生长取向，这表明本发明实施例2制备的电解液可以有效改善水系锌离子电池锌负极表面，进而提高电池的电化学性能。
在电流密度为1mA·cm-2、面积容量为0.5mAh·cm-2下，对应用例2的水系锌离子对称电池进行恒流充放电测试，结果如图14所示。可以看出，应用例2的水系锌离子对称电池可以稳定循环超过1500h，在1600h时才出现短路的情况，极化电压平稳，有利于缓解枝晶、析氢和腐蚀等副反应，这表明本发明实施例2制备的电解液有利于提升水系锌离子对称电池的循环稳定性。
在电流密度为1mA·cm-2、充电截止电压为0.5V、放电面积容量为0.5mAh·cm-2下，对应用例2的水系锌离子非对称电池进行恒流充放电测试，结果如图15所示。库伦效率是评价锌电镀/剥离好坏的重要参数。应用例2的水系锌离子非对称电池在循环1000h后出现较小的波动，循环1200圈左右电池才失效，表明本发明实施例2制备的电解液，有利于提升阳极-电解液界面的稳定性，增强了锌负极电镀/剥离的可逆性，最终延长了水系锌离子非对称电池的循环性能。
在电流密度为1A·g-1下，对应用例2的水系锌离子全电池进行恒流充放电测试，结果如图16所示。容量保持率用来评价水系锌离子全电池循环后活性物质衰减的参数。应用例2的水系锌离子全电池的首圈放电比容量为83.0mAh·g-1；在循环50圈后，放电比容量为79.9mAh·g-1，有着96.26％的超高容量保持率，表明本发明实施例2制备的电解液，减缓了MnHCF电极材料的溶解，最终实现了水系锌离子全电池稳定的容量保持性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液，其特征在于，包含以下原料：二元醇有机溶剂、水、有机锌盐和有机钠盐；
以所述二元醇有机溶剂与所述水的总体积分数100％为基准，所述二元醇有机溶剂的体积分数为85～95％；所述水的体积分数为5～15％。
2.如权利要求1所述的一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液，其特征在于，所述二元醇有机溶剂为1,3-丙二醇。
3.如权利要求1或2所述的一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液，其特征在于，所述水为去离子水。
4.如权利要求1所述的一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液，其特征在于，所述有机锌盐为三氟甲烷磺酸锌。
5.如权利要求1或4所述的一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液，其特征在于，所述有机钠盐为三氟甲烷磺酸钠。
6.如权利要求5所述的一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液，其特征在于，所述有机锌盐的浓度为0.5～2mol/L，所述有机钠盐的浓度为0.5～2mol/L。
7.如权利要求1所述的一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液，其特征在于，所述二元醇有机溶剂的体积分数为90％，所述水的体积分数为10％。
8.权利要求1～7任一项所述的一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液在锌离子电池中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410282627.4A CN118173910A (zh) | 2024-03-12 | 2024-03-12 | 一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液及其应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410282627.4A CN118173910A (zh) | 2024-03-12 | 2024-03-12 | 一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液及其应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118173910A true CN118173910A (zh) | 2024-06-11 |
Family
ID=91354270
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410282627.4A Pending CN118173910A (zh) | 2024-03-12 | 2024-03-12 | 一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液及其应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118173910A (zh) |
-
2024
- 2024-03-12 CN CN202410282627.4A patent/CN118173910A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111653834B (zh) | 水系电解液、水系金属离子电池及其制备方法 | |
| CN113937341A (zh) | 一种金属锌二次电池 | |
| CN116565347B (zh) | 含有氨基和羟基的有机小分子添加剂的水系锌离子电池电解液、制备方法及其应用 | |
| CN105206875A (zh) | 一种用于改善锂离子电池负极材料循环性能的电解液 | |
| CN114373982B (zh) | 一种基于液态醚类有机电解液的少负极二次钠电池及其制备方法 | |
| CN115863799A (zh) | 一种用于锌电池的电解液添加剂及其应用 | |
| CN110176622B (zh) | 一种金属锂二次电池电解液及其制备方法与应用 | |
| CN113690397B (zh) | 一种锌负极极片及其制备方法和应用 | |
| CN114883670A (zh) | 一种以麦秆提取物作为生物质有机盐添加剂的水系锌离子电池电解液及其应用 | |
| CN113871624A (zh) | 一种用于水系锌离子电池的锌负极涂层材料及其制备方法和应用 | |
| CN117293422A (zh) | 一种诱导水系锌离子电池锌负极均匀沉积的方法 | |
| CN113314773A (zh) | 一种水系锌离子电池电解质及其制备方法和应用 | |
| CN115051047A (zh) | 一种用于水系锌离子电池的电解液添加剂及其应用 | |
| CN116154324A (zh) | 一种水系锌离子电池电解液添加剂、电解液及其应用 | |
| CN118173910A (zh) | 一种用于提升锌离子电池正负极稳定性的电解液及其应用 | |
| CN114243019A (zh) | 表面具有双修饰层的锌负极材料及其制备方法和在水系锌离子电池中的应用 | |
| CN111934010B (zh) | 一种铅酸蓄电池电解液及其制备方法 | |
| CN117276694A (zh) | 一种含碘化铷添加剂的水系锌离子电池电解液及应用 | |
| CN117558890A (zh) | 一种锡基界面修饰的金属负极材料及制备方法及应用 | |
| CN116895851A (zh) | 一种可抑制副反应和枝晶的水系锌离子电池电解液 | |
| CN116231113A (zh) | 一种抑制锌枝晶提升电池循环寿命的复合电解液及其应用 | |
| CN117276697A (zh) | 一种锌离子电池用电解液及其制备方法和应用 | |
| CN118039991A (zh) | 一种抑制锌枝晶的锌溴液流电池电解液及其制备方法 | |
| CN116598552A (zh) | 一种用于低温域全铁液流电池的负极电解液 | |
| CN117374427A (zh) | 水系锌离子电池用电解液及其应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |