电解液添加剂及其制备方法、电解液、水系锌离子电池和用电设备与流程

本申请属于水系锌离子电池领域，具体涉及一种电解液添加剂及其制备方法、电解液、水系锌离子电池和用电设备。

背景技术：

1、锂离子电池因具有高能量密度、长循环寿命而在储能系统中占据主导地位。然而，成本高、锂资源短缺以及安全问题限制了其发展。水系锌离子电池因其水系电解质具有不易燃和高离子电导率的独特性质而成为颇具吸引力的替代品。另外，锌金属相对于锂、钠和钾成本更低廉；更重要的是，锌金属具有良好的电化学性能。

2、然而，水系锌离子电池的锌负极存在以下问题：锌负极表面的锌枝晶生长可能穿透隔膜并引起内部短路；锌腐蚀和钝化进而生成不可逆的副产物；锌负极存在析氢反应，产生的气体会导致电池内部压力过大，进而可能造成电解液泄露和电池爆炸。

技术实现思路

1、本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请的一个目的在于提出一种电解液添加剂及其制备方法、电解液、水系锌离子电池和用电设备。本申请提供的电解液添加剂能有效缓解锌枝晶的生长问题，大大提升锌负极在电解液中的稳定性，改善了水系锌离子电池在电化学反应过程中的界面电荷输运性能，同时有利于水系锌离子电池保持高容量和长循环寿命。

2、本申请第一方面提出了一种电解液添加剂。根据本申请的实施例，电解液添加剂包括mxene材料。

3、根据本申请实施例的电解液添加剂，可有效缓解锌枝晶的生长问题，大大提升锌负极在电解液中的稳定性，改善了水系锌离子电池在电化学反应过程中的界面电荷输运性能，同时有利于水系锌离子电池保持高容量和长循环寿命。

4、另外，根据本申请上述实施例的电解液添加剂还可以具有如下附加的技术特征：

5、在本申请的一些实施例中，所述mxene材料的表面分布有亲水官能团。

6、在本申请的一些实施例中，所述亲水官能团包括氧基、羟基、氟基、氯基中的至少一种。

7、在本申请的一些实施例中，所述mxene材料的化学式为：mmx，其中，m选自v、ti、cr、mo、nb、y、sc、zr、hf、ta、w元素中的至少一种，x选自c和n元素中的至少一种，1≤m≤2。

8、在本申请的一些实施例中，m选自v，x选自c。

9、在本申请的一些实施例中，所述mxene材料为单层状mxene材料。

10、本申请第二方面提出了一种制备以上实施例所述电解液添加剂的方法。根据本申请的实施例，所述方法包括：

11、(1)将包含卤族元素氢化物、氟化盐和水混合，得到混合液，所述包含卤族元素氢化物中的卤族元素的电负性低于氟元素；

12、(2)将mxene前驱体与所述混合液混合，反应，得到mxene材料。

13、根据本申请实施例的方法，第一，采用包含卤族元素氢化物和氟化盐原位生成氢氟酸的方法制备mxene材料，可以避免直接接触腐蚀性强且有毒的氢氟酸，其安全性能较高。第二，该方法在刻蚀过程中，金属离子可以自发插入mxene材料层间，扩大了mxene材料的层间距，且降低了mxene材料的层间范德瓦尔兹力，有利于后续步骤形成少层或单层mxene材料。第三，采用卤族元素氢化物和氟化盐水热反应刻蚀得到mxene材料的方法，相比于常规方法不仅大大缩减了刻蚀时间，而且高温高压的制备条件还可以使反应更彻底。第四，本申请的原位生成氢氟酸的方法，其刻蚀剂更为温和，因此可以获得横向尺寸更大、缺陷更少的mxene材料，并且产物mxene材料的电子特性与稳定性更优异。

14、另外，根据本申请上述实施例的方法还可以具有如下附加的技术特征：

15、在本申请的一些实施例中，还包括：(3)将步骤(2)得到的mxene材料与分层剂混合，得到单层mxene材料。

16、在本申请的一些实施例中，在步骤(1)中，所述包含卤族元素氢化物和所述氟化盐的质量比为1:(10～15)；和/或，所述包含卤族元素氢化物包括hcl、hbr和hi中的至少一种；和/或，所述氟化盐包括氟化锂、氟化钠和氟化钾中的至少一种。

17、在本申请的一些实施例中，在步骤(2)中，反应温度为50～300℃，反应时间为10h～50h。

18、在本申请的一些实施例中，在步骤(3)中，所述分层剂包括二甲基亚砜、十六烷基三甲基溴化铵和四甲基氢氧化铵中的至少一种。

19、本申请第三方面提出了一种电解液。根据本申请的实施例，电解液包括第一方面的电解液添加剂或第二方面的方法制备得到的电解液添加剂。由此，本申请的电解液能有效缓解锌枝晶的生长问题，大大提升锌负极在电解液中的稳定性，改善了水系锌离子电池在电化学反应过程中的界面电荷输运性能，同时有利于水系锌离子电池保持高容量和长循环寿命。

20、另外，根据本申请上述实施例的电解液还可以具有如下附加的技术特征：

21、在本申请的一些实施例中，所述mxene材料在所述电解液中的浓度为0.05mol/l～0.2mol/l。

22、在本申请的一些实施例中，还包括电解质盐，所述电解质盐包括硫酸锌、醋酸锌中的至少一种。

23、在本申请的一些实施例中，所述电解质盐在所述电解液中的浓度为1mol/l～3mol/l。

24、在本申请的一些实施例中，所述电解液与锌片的接触角为60°～97°。

25、本申请第四方面提出了一种水系锌离子电池。根据本申请的实施例，水系锌离子电池包括第三方面的电解液。由此，可有效缓解水系锌离子电池中的锌枝晶问题，大大提升锌负极在电解液中的稳定性，改善了水系锌离子电池在电化学反应过程中的界面电荷输运性能，同时有利于水系锌离子电池保持高容量和长循环寿命。

26、在本申请的第五个方面，本申请提出了一种用电设备。根据本申请的实施例，用电设备具有以上实施例所述的水系锌离子电池。由此，用电设备具有水系锌离子电池的所有优点，在此不再赘述。

27、本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

技术特征：

1.一种电解液添加剂，其特征在于，包括mxene材料。

2.根据权利要求1所述的电解液添加剂，其特征在于，所述mxene材料的表面分布有亲水官能团。

3.根据权利要求2所述的电解液添加剂，其特征在于，所述亲水官能团包括氧基、羟基、氟基、氯基中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的电解液添加剂，其特征在于，所述mxene材料的化学式为：mmx，其中，m选自v、ti、cr、mo、nb、y、sc、zr、hf、ta、w元素中的至少一种，x选自c和n元素中的至少一种，1≤m≤2。

5.根据权利要求4所述的电解液添加剂，其特征在于，m选自v，x选自c。

6.根据权利要求1～5任一项所述的电解液添加剂，其特征在于，所述mxene材料为单层状mxene材料。

7.一种制备权利要求1～6中任一项所述的电解液添加剂的方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述包含卤族元素氢化物和所述氟化盐的质量比为1:(10～15)；

10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，反应温度为50～300℃，反应时间为10h～50h。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述分层剂包括二甲基亚砜、十六烷基三甲基溴化铵和四甲基氢氧化铵中的至少一种。

12.一种电解液，其特征在于，包括权利要求1～6中任一项所述的电解液添加剂或权利要求7～11中任一项所述方法制得的电解液添加剂。

13.根据权利要求12所述的电解液，其特征在于，所述mxene材料在所述电解液中的浓度为0.05mol/l～0.2mol/l。

14.根据权利要求12或13所述的电解液，其特征在于，还包括电解质盐，所述电解质盐包括硫酸锌、醋酸锌中的至少一种。

15.根据权利要求14所述的电解液，其特征在于，所述电解质盐在所述电解液中的浓度为1mol/l～3mol/l。

16.根据权利要求12或13所述的电解液，其特征在于，所述电解液与锌片的接触角为60°～97°。

17.一种水系锌离子电池，其特征在于，包括权利要求12～16中任一项所述的电解液。

18.一种用电设备，其特征在于，具有权利要求17所述的水系锌离子电池。

技术总结
本申请公开了一种电解液添加剂及其制备方法、电解液、水系锌离子电池和用电设备，电解液添加剂包括MXene材料。本申请提供的电解液添加剂能有效缓解锌枝晶的生长问题，大大提升锌负极在电解液中的稳定性，改善了水系锌离子电池在电化学反应过程中的界面电荷输运性能，同时有利于水系锌离子电池保持高容量和长循环寿命。

技术研发人员：乔贺,程龙,廖乾勇,谭友斌
受保护的技术使用者：比亚迪股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/4/10