一种水系锌离子电池电解液

技术领域

本发明属于水系二次电池技术领域，具体涉及一种锌离子电池电解液。

背景技术

开发水能、风能和太阳能等新型能源是解决未来能源枯竭及全球环境污染问题的重要途径。然而，这些能源易受季节、天气等因素影响，发电不连续且功率不稳定，难以并网，因而目前弃水弃风弃光现象严重，需储能技术来解决上述问题。电化学储能技术发展迅速，具有投资少、效率高、使用灵活等优点，近年来成为了科研工作者的研究重点。大规模储能需要满足安全可靠、成本低廉的条件。其中，水系锌离子电池是以锌金属为负极、二氧化锰为正极，锌盐水溶液为电解液的一种二次电池，能够很好的满足上述要求，最近成为人们关注的焦点，具有重要的研究价值。

然而，水系锌离子电池的发展还有很多不足，其中一个关键问题是锌负极在使用过程中容易产生枝晶现象，造成腐蚀加剧和电池短路。近年来，研究者开发了多种策略解决该问题，例如表面涂层、构建三维集流体、电解液添加剂和外延电沉积【EnergyEnviron.Sci.，2020，13，3330】。这些策略有效减缓了枝晶生长，但是尚不能完全满足实际应用需求，探索新的解决措施对锌离子电池实现规模化应用具有深远的影响。

发明内容

针对锌金属负极枝晶问题，本发明提供一种锌离子电池电解液，该电解液能够使锌均匀沉积且实现(0002)晶面择优取向，增加电池循环性能，且制备方法简单、成本低廉。

本发明技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种锌离子电池电解液，所述电解液包括水、锌盐、甲酸盐和胺分子；所述甲酸盐为水溶性甲酸盐；所述胺分子为环己胺。

作为本发明优选的技术方案，所述锌盐包括硫酸锌、硝酸锌、氯化锌或乙酸锌中的一种或多种。

作为本发明优选的技术方案，所述水溶性甲酸盐包括甲酸锂、甲酸钠、甲酸钾、甲酸铷、甲酸铯、甲酸镁、甲酸钙或甲酸锌中的一种或多种。

作为本发明优选的技术方案，所述锌盐的摩尔浓度为0.5～2mol·L

作为本发明优选的技术方案，所述甲酸盐的摩尔浓度为0.2～1mol·L

作为本发明优选的技术方案，所述胺分子的浓度为0.4～1.4mol·L

另一方面，本发明还提供了上述锌离子电池电解液的制备方法，所述方法包括如下步骤：

将所述甲酸盐和胺分子加入烧杯中，并用去离子水溶解，加入稀酸溶液调节上述溶液的pH至～7，最后加入锌盐，搅拌直到完全溶解，得到所述锌离子电池电解液。

再一方面，本发明提供了一种使用上述锌离子电池电解液的水系锌离子电池。

本发明具有如下有益效果：

本发明通过添加可以和锌离子配位的甲酸盐和胺，减慢锌的脱溶剂化过程和诱导锌晶面重构，使锌沉积均匀且呈现(0002)晶面择优取向，保证充放电循环过程形貌平整，有效解决枝晶问题，提升了水系锌离子电池的循环性能，且方案简单，成本低廉，易于工业化生产，在储能技术领域具有应用前景。

附图说明

图1为采用本发明实施例1中电解液组装的Zn//Zn对称电池的循环性能图。

图2为锌在本发明实施例1中电解液循环300小时后锌负极的扫描电子显微镜(SEM)图。

图3为锌在本发明实施例1中电解液循环300小时后锌负极的X射线衍射(XRD)图。

图4为采用本发明实施例1中电解液组装的Zn//MnO

图5为采用本发明实施例2中电解液组装的Zn//Zn对称电池的循环性能图。

图6为采用本发明实施例3中电解液组装的Zn//Zn对称电池的循环性能图。

图7为采用对比例1中电解液组装的Zn//Zn对称电池的循环性能图。

图8为锌在本发明对比例1中电解液循环300小时后锌负极的扫描电子显微镜(SEM)图。

图9为采用对比例1中电解液组装的Zn//MnO

图10为采用对比例2中电解液组装的Zn//Zn对称电池的循环性能图。

图11为锌在本发明对比例2中电解液循环77小时后锌负极的扫描电子显微镜(SEM)图。

图12为采用对比例3中电解液组装的Zn//Zn对称电池的循环性能图。

图13为锌在本发明对比例3中电解液循环135小时后锌负极的扫描电子显微镜(SEM)图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1～3和对比例1～3所述的Zn//Zn对称电池的循环性能测试是在如下条件下进行：模拟电池采用纽扣电池CR2032型体系，其中电解液是实施例1～3和对比例1～3所述电解液，正负极均为50μm锌箔，隔膜是玻璃纤维膜。采用恒电流充放电进行测试，电流为2mA·cm

实施例1

一种用于水系锌离子电池的电解液，通过如下实验步骤制备得到：

取5mmol甲酸钠和8mmol环己胺溶解到6mL去离子水中，用1M稀硫酸溶液调节pH约为7，然后加入10mmol硫酸锌，搅拌至完全溶解，最后定容至10mL，得到0.5M甲酸钠+0.8M环己胺+1M硫酸锌溶液。

Zn//MnO

如图1所示，采用本实施例中的电解液组装的Zn//Zn对称电池循环寿命为490h，如图4所示，Zn//MnO

实施例2

取5mmol甲酸钠和12mmol环己胺溶解到6ml去离子水中，用1M稀硫酸溶液调节pH约为7，然后加入10mmol硫酸锌，搅拌至完全溶解，最后定容至10mL。

如图5所示，采用本实施例所述电解液组装的Zn//Zn对称电池循环寿命为220h。

实施例3

取2mmol甲酸钠和10mmol环己胺溶解到6ml去离子水中，用1M稀硫酸溶液调节pH约为7，然后加入10mmol硫酸锌，搅拌至完全溶解，最后定容至10mL。

如图6所示，采用本实施例所述电解液组装的Zn//Zn对称电池循环寿命为330h。

对比例1

将10mmol硫酸锌溶解于去离子水，配制1M硫酸锌溶液。

Zn//MnO

如图7和图8所示，采用本对比例所述电解液组装的Zn//Zn对称电池循环寿命为40h，循环后的SEM图呈现出无规则且不平整的形貌。如图9所示，Zn//MnO

对比例2

将5mmol甲酸钠溶解于去离子水，用1M稀硫酸溶液调节pH约为7，然后加入10mmol硫酸锌，搅拌至完全溶解，最后定容至10mL，得到0.5M甲酸钠+1M硫酸锌溶液。

如图10和图11所示，采用本对比例所述电解液组装的Zn//Zn对称电池循环寿命为77h，循环后的SEM图呈现出无规则且不平整的形貌。

对比例3

将8mmol环己胺溶于去离子水，用1M稀硫酸溶液调节pH约为7，然后加入10mmol硫酸锌，搅拌至完全溶解，最后定容至10mL，得到0.8M环己胺+1M硫酸锌溶液。

如图12和图13所示，采用本对比例所述电解液组装的Zn//Zn对称电池循环寿命为135h，循环后的SEM图呈现出无规则且不平整的形貌。