一种添加剂改性的水系锌离子电解液及其应用

本发明属于水系锌离子电池，具体涉及一种添加剂改性的水系锌离子电解液及其应用。

背景技术：

1、随着对化石燃料的过度依赖加剧了能源枯竭、环境污染和气候恶化，全球能源格局正在由传统化石能源向清洁高效新能源转变。然而由于太阳能、潮汐能、风能等可再生能源的间歇性和不可调度性，直接应用上述不稳定的能源，会损害现有电网系统。因此，开发经济可行的储能技术和装置对于可再生能源在电网中的稳定转换和利用至关重要。

2、近年来，锂离子电池凭借其高能量密度在电子智能化、大型储能设备等领域占据主导地位。然而其高制造成本、高毒性、电解质易燃等问题严重阻碍了锂离子电池更加广泛的应用。因此，开发安全，可靠，低成本的储能技术势在必行。水系锌离子电池(azib) 因其高安全性、低成本和环境友好等特点，作为碱金属离子电池的替代品，引起了人们极大的兴趣。锌金属是最有前途的水系负极材料，具有高理论容量（5855 mah cm-3和 820 mah g-1）、低氧化还原电位（-0.76 v vs 标准氢电极）和与水系电解质良好的相容性。

3、然而，锌离子趋向于在锌负极上能量有利的电荷转移位点进行沉积，形成初始的小凸起，为了减小表面能，后续的锌离子也倾向于集中在这些小凸起处沉积，使其逐渐生长成为初步的枝晶。由此引发的“尖端效应”会进一步加剧负极表面电场分布的不均匀程度，加剧枝晶的生长，导致容量衰减，甚至是发生短路。同时，电镀/剥离循环过程中总是伴随着析氢反应和表面腐蚀。随着氢气的析出，局部ph值将急剧增加，因为oh-浓度迅速增加，生成的oh-将与zn2+和 h2o反应在锌表面形成钝化层。这降低了电镀/剥离工艺的可逆性，增加了内阻，并限制了锌的利用率。目前研究人员针对枝晶，腐蚀，钝化等问题开展了大量的研究工作。例如界面修饰、结构设计和电解液工程优化，基于这些策略在低电流密度条件下已经取得了大幅度的进展，但是在高电流密度，高锌利用率下实现高性能锌阳极的发明很少。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的首要目的在于提供一种添加剂改性的水系锌离子电解液及其应用，该电解液添加剂成本低，环境友好，制备简单，可同时提高水系锌离子电池在高电流密度高面积容量和低电流密度低面积容量下的循环寿命。

2、具体的，本公开的发明方案如下所述：

3、一种添加剂改性的水系锌离子电解液，包括电解液和添加剂；所述电解液为可溶性锌盐，所述添加剂为谷胱甘肽。

4、在上述技术方案中，所述可溶性锌盐为硫酸锌、三氟甲烷磺酸锌、高氯酸锌或硝酸锌中的一种或几种。

5、在上述技术方案中，所述可溶性锌盐优选为三氟甲烷磺酸锌。

6、在上述技术方案中，所述可溶性锌盐的浓度为1-3 mol l-1。

7、在上述技术方案中，所述可溶性锌盐的浓度优选为2 mol l-1。

8、在上述技术方案中，所述添加剂的浓度为0.5-4 g l-1。

9、在上述技术方案中，所述添加剂的浓度优选为2 g l-1。

10、一种添加剂改性的水系锌离子电解液在锌离子电池中的应用，所述锌离子电池包括正极、隔膜、负极和添加剂改性的水系锌离子电解液。

11、在上述技术方案中，所述正极材料为五氧化二钒、二氧化锰、钒酸钠或锰酸锂。

12、在上述技术方案中，所述隔膜为玻璃纤维隔膜。

13、在上述技术方案中，所述负极材料为锌粉、锌箔或泡沫锌。

14、在上述技术方案中，所述添加剂改性的水系锌离子电池电解液能够同时在低电流密度和高电流密度下大幅度延长电池的循环寿命，提高电池的循环稳定性。

15、本发明的优点在于：

16、通过在锌离子电池水系电解液中添加谷胱甘肽添加剂，一方面可以在巯基和羧基的协同作用下以化学吸附的方式优先吸附在zn（111）晶面上并形成一层sei膜降低了表面局部电流密度调节zn沉积行为，以及将水分子与锌负极隔开缓解副反应发生。另一方面可以改变zn2+的溶剂化结构减少溶剂化水分子的数量，增大锌沉积过电位，细化晶粒，使锌沉积更均匀。从而实现了在高电流密度，高锌利用率下优异的循环稳定性。

技术特征：

1.一种添加剂改性的水系锌离子电解液，其特征在于：包括电解液和添加剂，所述电解液为可溶性锌盐，所述添加剂为谷胱甘肽。

2.根据权利要求1所述的一种添加剂改性的水系锌离子电解液，其特征在于：所述可溶性锌盐为硫酸锌、三氟甲烷磺酸锌、高氯酸锌、硝酸锌中的一种或几种。

3.根据权利要求2所述的一种添加剂改性的水系锌离子电解液，其特征在于：所述可溶性锌盐为三氟甲烷磺酸锌。

4.根据权利要求1所述的一种添加剂改性的水系锌离子电解液，其特征在于：所述可溶性锌盐的浓度为1-3 mol l-1。

5.根据权利要求4所述的一种添加剂改性的水系锌离子电解液，其特征在于：所述电解液的浓度为2 mol l-1。

6.根据权利要求1所述的一种添加剂改性的水系锌离子电解液，其特征在于：所述添加剂的浓度为0.5-4 g l-1。

7.根据权利要求6所述的一种添加剂改性的水系锌离子电解液，其特征在于：所述添加剂的浓度为2 g l-1。

8.一种添加剂改性的水系锌离子电解液在锌离子电池中的应用，其特征在于：所述锌离子电池包括正极、隔膜、负极和添加剂改性的水系锌离子电解液。

9.根据权利要求8所述的一种添加剂改性的水系锌离子电解液在锌离子电池中的应用，其特征在于：所述正极材料为五氧化二钒、二氧化锰、钒酸钠或锰酸锂，所述隔膜为玻璃纤维隔膜，所述负极材料为锌粉、锌箔或泡沫锌。

10.根据权利要求8所述的一种添加剂改性的水系锌离子电解液在锌离子电池中的应用，其特征在于：所述水系锌离子电池电解液能够同时在低电流密度和高电流密度下延长电池的循环寿命，提高电池的循环稳定性。

技术总结
本发明公开了一种添加剂改性的水系锌离子电解液及其应用。本发明属于水系锌离子电池技术领域。本发明所述添加剂为谷胱甘肽，富含巯基和羧基官能团；它作为一种双功能添加剂能够优先与锌离子结合减少其溶剂化水分子；同时还可以通过巯基和羧基的去质子化以化学吸附的方式吸附在Zn（111）晶面上并形成一层固体电解质界面膜降低表面局部电流密度调节金属锌沉积行为。通过这些协同作用能够有效地抑制锌枝晶生长和副反应的发生，使得微量添加剂能够延长水系锌金属电池循环寿命至9000小时以上。且本发明具有制备工艺简单，环保，成本低等优点，在水系锌离子电池领域有广泛的应用前景。

技术研发人员：宋月先,陈晓江,郭旭桓
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/24