一种电解液及其制备方法和应用

本申请实施例涉及水系锌离子电池，特别是涉及一种电解液及其制备方法和应用。

背景技术：

1、在“双碳”目标的背景下，全球的能源格局发生转变，需开发可靠的清洁能源。但可再生能源存在不稳定性，无法达到持续的供需平衡。储能作为一种便捷的调控手段，能够应对上述问题。在二次储能手段中，锂离子电池因具有较高的能量密度和功率密度，在市场上占主导地位，被广泛应用于手机设备、能源汽车等领域中。随着锂离子电池的使用，其存在的局限性也不断地暴露，包括锂资源短缺且价格昂贵、有机电解液的可燃性等问题限制了自身的发展。需发展新一代的储能物质作为替代品，在众多候选中，水系锌离子电池以安全、低成本、较高的理论容量受到广泛关注。

2、近年来，水系锌离子电池不断发展但其规模化应用仍受到诸多限制条件的制约，在负极方面存在枝晶、钝化、腐蚀、析氢等问题，还有正极材料活性物质的溶解和较差的保持率。上述问题是导致锌离子电池低的库伦效率和差的循环性也是商业化发展受阻的主要因素。

3、针对这些问题，人们提出了不同的解决策略，例如表面涂层、三维构型、锌合金和高浓度电解液等，虽然这些手段能解决一些突出问题但操作不便、成本较高。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请实施例提供一种电解液及其制备方法和应用，该电解液通过引用微量硫酸氧钛，工艺简单、环境友好，且使水系锌离子电池获得高稳定性、高倍率性能和长循环寿命，能够有效克服现有锌离子电池的负极存在枝晶、钝化、腐蚀、析氢等问题，且正极材料活性物质的溶解和较差的保持率等缺陷。

2、本申请实施例第一方面提供一种电解液，包括水性电解质、溶剂和添加剂；

3、其中，所述添加剂为酸性添加剂，所述水性电解质包括在充放电过程中能够在负极还原沉积为金属且该金属能可逆氧化溶解的负极金属离子。

4、电解液添加剂不仅操作简易且成本低效益高，能够显著的改善电池的循环稳定性并有效调节锌离子的沉积行为，是解决水系锌离子电池当前所存在的主要问题和推动其实现商业化的重要方法之一。本申请实施例添加的硫酸氧钛均匀溶解分布在电解液中，它可以提高水系锌离子电池循环稳定性并减少副产物生成；调控锌离子沉积/剥离的行为和维持稳定的ph环境，有助于抑制水系锌离子电池负极的枝晶生长和减缓正极钒酸铵的衰减，有助于提高水系锌离子的电化学性能。

5、在可以包括上述实施例的一些实施例中，所述添加剂采用硫酸氧钛；或

6、所述电解液为酸性溶液，其ph为1.5-1.81。

7、在可以包括上述实施例的一些实施例中，所述溶剂为去离子水；或

8、所述负极金属离子为锌离子；或

9、所述水性电解质为锌离子盐。

10、在可以包括上述实施例的一些实施例中，所述锌离子盐为三氟甲烷磺酸锌、硫酸锌、氯化锌中的至少的一种；或

11、所述锌离子盐为硫酸锌。

12、在可以包括上述实施例的一些实施例中，所述添加剂的体积摩尔浓度为1～70mmol/l；或

13、所述锌离子盐的体积摩尔浓度为2mol/l；或

14、所述电解液的体积摩尔浓度为1～3mol/l。

15、本申请实施例第二方面还提供一种上述的电解液的制备方法，包括以下步骤：

16、将水性电解质和添加剂溶于溶剂中，搅拌混匀后即得电解液。

17、优选地，具体包括如下步骤：称取硫酸氧钛加入烧杯中，添加硫酸锌溶液，并加入搅拌磁子，充分搅拌30-60min，形成均匀溶液，即得电解液。

18、在可以包括上述实施例的一些实施例中，所述水性电解质和添加剂的摩尔比为100:(0.5-3.5)；或所述搅拌时间为30～60min。

19、本申请实施例第三方面还提供如上述的电解液在水系锌离子电池上的应用。

20、在可以包括上述实施例的一些实施例中，所述水系锌离子电池包括正极、负极和电解液，所述电解液为上述的电解液。

21、在可以包括上述实施例的一些实施例中，所述正极为钒酸铵，所述负极为锌金属。

22、本申请实施例与现有技术相比，具有如下有益效果：

23、(1)本申请采用硫酸氧钛添加剂，具有价格低廉、环境友好、适用范围广等优势；且其制备方法简单，可以广阔应用在各类二次电池体系中；

24、(2)本申请在电解液中引入硫酸氧钛添加剂，使锌金属负极在循环过程能够降低去溶剂化能垒促进锌的成核和均匀沉积，从而抑制锌负极的枝晶生长并解决循环寿命短等问题；

25、(3)本申请在电解液中引入硫酸氧钛添加剂，添加剂中tio2+为酸性介质，使电解液为强酸环境，能够维持电极-电解液界面的ph值的稳定，稳定的电极-电解液界面ph值可以优化锌离子沉积/剥离的行为，可以提升水系锌离子电池的循环稳定性和倍率性能。

技术特征：

1.一种电解液，其特征在于，包括水性电解质、溶剂和添加剂；

2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述添加剂采用硫酸氧钛；或

3.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述溶剂为去离子水；或

4.根据权利要求3所述的电解液，其特征在于，所述锌离子盐为三氟甲烷磺酸锌、硫酸锌、氯化锌中的至少的一种；或

5.根据权利要求3所述的电解液，其特征在于，所述添加剂的体积摩尔浓度为1～70mmol/l；或

6.一种权利要求1-5任一项所述的电解液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的电解液的制备方法，其特征在于，所述水性电解质和添加剂的摩尔比为100:(0.5-3.5)；或

8.如权利要求1-5任一项所述的电解液在水系锌离子电池上的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述水系锌离子电池包括正极、负极和电解液，所述电解液为权利要求1-5任一项所述的电解液。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述正极为钒酸铵，所述负极为锌金属。

技术总结本申请实施例涉及一种电解液及其制备方法和应用，属于水系锌离子电池技术领域。本申请实施例的电解液，包括水性电解质、溶剂和添加剂；其中，添加剂为酸性添加剂，水性电解质包括在充放电过程中能够在负极还原沉积为金属且该金属能可逆氧化溶解的负极金属离子。本申请实施例采用硫酸氧钛添加剂，具有价格低廉、环境友好、适用范围广等优势；且其制备方法简单，可以广阔应用在各类二次电池体系中。技术研发人员：田新龙,张杰,史晓东,饶鹏,刘雨昊,高亚婷,李富龙受保护的技术使用者：海南大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29