一种水系锌离子电池双添加剂电解液及其制备方法和应用

本公开涉及水系锌离子电池材料，尤其涉及水系锌离子电池双添加剂电解液。

背景技术：

1、日益加剧的环境问题和动荡的全球能源市场，提高了改善能源结构的重要性。人们对能源的需求日益增加，但目前，大部分能源来自化石燃料的燃烧，导致大量的二氧化碳排放和一系列的环境和社会问题。因此发展可再生能源(如太阳能、风能、潮汐能)具有重要意义。锂离子电池由于其比重量轻、能量密度高和循环寿命长等优点获得了巨大的关注，一直被广泛应用于各种电子设备中。但由于锂资源有限，易燃的有机电解液和高活性金属锂容易引起安全事故，阻碍了锂离子电池更广泛的应用。水系锌离子电池由于其安全性高、制备工艺简单、电极电位低、理论容量高等特点，在电化学储能领域引起了广泛的关注。然而，锌金属阳极仍然面临着严重的枝晶生长、析氢和电极腐蚀等问题，这严重影响了水系锌离子电池的库伦效率和循环稳定性。

2、人们一直致力于减缓枝晶生长和副反应的产生，包括但不限于负极合金化调节、设计3d结构主体框架、构建电极表面涂层、隔膜改性、调节电解液成分等。在这些策略中，调节电解液成分因其使用简单、成本低、性能优良被认为是提高锌阳极可逆性和抑制副反应的一种经济有效的方法。对于负极，添加剂可以通过界面吸附、形成固态电解质层来调节锌的沉积过程，或者改变锌离子溶剂化结构，诱导锌均匀成核，减少副反应的发生。锌负极在水溶液中的电化学行为主要取决于电极/电解液界面的稳定性。不稳定的界面会加剧副反应的发生和枝晶的生长，从而降低电池循环寿命。因此，调控锌离子在界面上的分布、迁移和沉积动力学是提高锌金属阳极稳定性的关键。在锌金属和电解液之间构建固态电解质层也是一种广泛应用于锌阳极的保护技术，但添加剂形成的固态电解质层厚度较薄，长时间循环后可能会断裂或脱落，导致电池性能的提升有限。相比之下，采用原位构建与锌金属具有较强相互作用力的负极/电解液界面并实现动态加速离子传输是调节界面的一种实用的解决方案。目前的研究方向大多集中在只使用一种添加剂，这可能无法同时高效的发挥构建稳定的负极/电解液界面、引导锌离子去溶剂化、加快离子传输、均匀成核、定向沉积的作用。因此，设计一种能同时构建稳定的负极/电解液界面、调节锌离子高速去溶剂化、加快离子传输、均匀成核和定向沉积的协同电解液添加剂至关重要。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种用于水系锌离子电池的双添加剂电解液、双添加剂电解液制备方法以及双添加剂电解液的应用。

2、根据本公开的第一方面，提供了一种水系锌离子电池双添加剂电解液，其特征在于，

3、所述电解液包括溶剂水和电解质；

4、所述电解质包括锌盐、甘露糖以及生物质有机盐；

5、所述生物质有机盐为木质素磺酸钠。

6、优选的，所述锌盐的浓度为1-3mol/l。

7、优选的，所述锌盐为硫酸锌、三氟甲烷磺酸锌、氯化锌或高氯酸锌中的至少一种。

8、优选的，所述电解液中，所述甘露糖的浓度为0.001-0.2mol/l，所述木质素磺酸钠的浓度为1g/l-40g/l。

9、根据本公开的第二方面，提供了一种水系锌离子电池双添加剂电解液的制备方法，其特征在于，

10、将所述锌盐、所述甘露糖以及所述生物质有机盐，称取各组分，溶于水中，获得所述电解液。

11、根据本公开的第三方面，提供了一种水系锌离子电池双添加剂电解液的应用，其特征在于，

12、以所述水系锌离子电池双添加剂电解液构建水系锌离子电池。

13、本公开技术方案的原理为：

14、甘露糖和木质素磺酸钠可以改变锌离子溶剂鞘结构，提高锌离子去溶剂化速度。电镀时木质素磺酸根离子对负极吸附能减弱，由于偶极作用甘露糖会优先吸附在负极表面，木质素磺酸根离子将脱离电极表面，与溶液中的锌离子相互作用，形成交替吸附，形成动态可逆吸附层。木质素磺酸根离子与进入两个锌离子溶剂鞘结构后整体带正电荷，当木质素磺酸根离子所带的锌离子沉积到负极表面后，木质素磺酸根离子在电场的作用下加速离开负极，加快了负极近表面锌离子运输速度，确保了均匀和快速的电荷转移动力学。木质素磺酸根离子中疏水的-ch3基团还起到了水屏障的作用，降低了水的活性，抑制了副反应。

15、本公开的有益效果为：

16、本公开的所述水系锌离子电池的双添加剂电解液可以加速锌离子在阳极/电解液界面的去溶剂化，加快锌离子传输，进一步促进成核及抑制枝晶的形成和生长，细化晶粒，确保锌负极在循环过程中具有很高的可逆性和稳定性，从而提高水系锌离子电池的循环性能，改善水系锌离子电池的循环寿命。

技术特征：

1.一种水系锌离子电池双添加剂电解液，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于：所述锌盐的浓度为1-3mol/l。

3.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于：所述锌盐为硫酸锌、三氟甲烷磺酸锌、氯化锌或高氯酸锌中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于：所述电解液中，所述甘露糖的浓度为0.001～0.2mol/l，所述木质素磺酸钠的浓度为1g/l～40g/l。

5.根据权利要求1-4任一项所述水系锌离子电池双添加剂电解液的制备方法，其特征在于，

6.如权利要求1-4任一项所述水系锌离子电池双添加剂电解液的应用，其特征在于：

技术总结
本公开提供了一种用于水系锌离子电池的双添加剂电解液、双添加剂电解液制备方法及双添加剂电解液的应用。所述电解液包括溶剂水和电解质；所述电解质包括锌盐、甘露糖以及生物质有机盐；所述生物质有机盐为木质素磺酸钠。本公开提供的所述用于水系锌离子电池的双添加剂电解液，其中，甘露糖和木质素磺酸钠可以改变锌离子溶剂鞘结构，提高锌离子去溶剂化速度。在电场的作用下，甘露糖和木质素磺酸根交替吸附在电极表面，形成动态可逆的吸附层。木质素磺酸根在电场的作用下快速在负极周围运输锌离子，加快了负极近表面锌离子运输速度，确保了均匀和快速的电荷转移动力学，确保锌负极在循环过程中具有很高的可逆性和稳定性，从而提高水系锌离子电池的循环性能。

技术研发人员：郎兴友,陈泓伯,孟欢,王同辉,韩高峰,文子,蒋青
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15