一种双相电解液锌离子电池
文献发布时间:2024-05-31 01:29:11
技术领域
本发明属于二次电池技术领域,具体涉及一种长寿命的双相电解液锌离子电池。
背景技术
全球污染问题日益突出,开发水能、风能和太阳能等可再生能源及实现能源结构转型是大势所趋。然而,可再生能源易受季节、天气和地域等因素影响,发电不连续且功率不稳定,因而造成弃水弃风弃光现象。储能技术是实现调峰调频的有效途径,可以提高电网对可再生能源的消纳能力。其中,电化学储能技术具有投资少、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、成本低廉和环境友好的条件。水系锌离子电池是以锌金属为负极、二氧化锰等氧化物为正极,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,水系锌离子电池的应用尚存在诸多挑战,包括锌金属负极的枝晶生长和析氢腐蚀问题,造成电池寿命缩短和锌利用率降低。近年来,研究者开发了多种策略解决该问题,例如表面涂层、电解液添加剂和混合电解液等。这些策略有效减缓了枝晶生长和析氢腐蚀,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重要意义。
发明内容
针对水系锌离子电池循环寿命短、库伦效率低的问题,本发明提供一种双相电解液锌离子电池,该电池的锌金属负极循环寿命增加,析氢腐蚀速率降低,且正极动力学受影响较小,电池制备方法简单、成本低廉。
本发明的技术方案
一种双相电解液锌离子电池,所述电池包括锌金属负极、双相电解液、隔膜和正极。
所述锌金属负极包括锌箔或锌粉。
所述双相电解液是通过盐析效应和盐溶效应原理所制备,成分包括亲水盐、去离子水、有机溶剂和两亲盐。
所述亲水盐为硫酸锌,摩尔浓度为1.8~2.2mol·L
所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、乙腈、甲醇、乙醇、四甲基脲、四氢呋喃和碳酸甲乙酯一种或多种,有机溶剂和去离子水的体积比为3:7~5:5。
所述两亲盐包括四氟硼酸锌和双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺锌中的一种或两种,盐的摩尔浓度为0.15~0.3mol·L
所述隔膜为双层隔膜,具体为聚醚砜膜、玻璃纤维膜和聚丙烯膜中的两种。
所述正极包括五氧化二钒(V
本发明具有如下有益效果:
本发明提供了一种基于双相电解液锌离子电池,负极侧为富有机电解液,正极侧为水系电解液,克服了锌负极在水系电解液中热力学不稳定性,腐蚀和枝晶问题得到缓解,且正极动力学不受影响。本发明的电池锌金属的利用率提高,锌离子电池的循环性能大幅度延长,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//Cu非对称电池的循环性能图。
图2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3为采用本发明实施例1中电解液组装的Zn//PANI全电池的循环性能图。
图4为采用本发明实施例2中电解液组装的Zn//Cu非对称电池的循环性能图。
图5为采用本发明实施例3中电解液组装的Zn//Cu非对称电池的循环性能图。。
图6为采用对比例1中电解液组装的Zn//Cu非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为采用对比例1中电解液组装的Zn//PANI全电池的循环性能图。
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所述电解液,对称电池正负极均为厚度50μm锌箔,非对称电池正极为厚度50μm铜箔,全电池正极为聚苯胺(PANI)。
实施例1
一种双相电解液锌离子电池,通过如下实验步骤制备得到:
电解液配制:取0.141g氟硼酸锌水合物和1.167g七水硫酸锌溶解至N-甲基吡咯烷酮和去离子水的混合溶剂(体积比为3:7),定容至2mL,电解液因密度差异分成上下两层,上层为富有机电解液,下层为水系电解液。
Zn//Cu非对称电池的循环性能模拟采用纽扣电池CR2032型体系,正负极有效面积均为2cm
Zn//Zn对称电池的循环性能模拟采用纽扣电池CR2032型体系,正负极有效面积均为2cm
Zn//PANI全电池的循环性能模拟采用纽扣电池CR2032型体系,其中电解液是本实施例所述电解液,负极是锌箔,正极是聚苯胺,正负极有效面积均为2cm
采用本实施例中的电解液组装的Zn//Cu非对称电池库仑效率达到99.69%,Zn//Zn对称电池循环700h无短路,Zn//PANI全电池循环300圈容量无衰减。
实施例2
将实施例1中的N-甲基吡咯烷酮替换为四甲基脲,其他条件不变(与实施例1相同)。
采用本实施例所述电解液组装的Zn//Cu非对称电池,库仑效率稳定在99.65%左右。
实施例3
将实施例1中的氟硼酸锌水合物替换为双三氟甲烷磺酰亚胺锌(0.251g),N-甲基吡咯烷酮替换成碳酸甲乙酯(体积分数为40%),其他条件不变(与实施例1相同)。
采用本实施例所述电解液组装的Zn//Cu非对称电池,库仑效率稳定在99.5%左右。
对比例1
将适量硫酸锌溶解于去离子水,配制1M硫酸锌溶液。
Zn//Zn对称电池的循环性能模拟采用纽扣电池CR2032型体系,正负极有效面积均为2cm
Zn//Cu非对称电池的循环性能模拟采用纽扣电池CR2032型体系,正负极有效面积均为2cm
Zn//PANI全电池的循环性能模拟采用纽扣电池CR2032型体系,其中电解液是本实施例所述电解液,负极是锌箔,正极是聚苯胺,正负极有效面积均为2cm
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260h,之后发生短路。Zn//Cu非对称电池循环130圈之后短路,库仑效率小于99.5%,Zn//PANI全电池的容量在循环过程中持续衰减。
- 一种锂离子电池非水电解液及使用该电解液的锂离子电池
- 一种锂离子电池电解液及含有该电解液的锂离子电池
- 一种锂离子电池电解液及使用该电解液的锂离子电池
- 用于水系锌离子电池电解液的添加剂、水系锌离子电池电解液及水系锌离子电池
- 用于水系锌离子电池电解液的添加剂、水系锌离子电池电解液及水系锌离子电池