一种双相电解液锌离子电池

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。