一种水系电解液和锌离子软包电池

本发明属于电池领域，具体涉及一种水系电解液和锌离子软包电池。

背景技术：

1、开发与应用高能量密度储能新体系是当今科学界和工业界共同关注的热点课题。目前，有机系锂离子电池在市场中占据主导地位，然而受限于锂资源稀缺和有机电解液易燃等难题，发展本征安全、低成本的新型电池技术迫在眉睫。其中，水系锌离子电池因为其充放电过程安全高效、电池材料无毒廉价、制备工艺简单，同时兼顾高能量高功率的特性，在大型储能、电动自行车等领域具有很高的应用价值和发展前景。然而，金属锌在沉积/剥离过程中不可避免地存在钝化、腐蚀、析氢和枝晶生长等问题，导致锌离子电池的库伦效率低，容量低，循环寿命有限，制约了其实际应用。

2、针对锌负极存在的这些问题，科研工作者主要提出了人工界面层改性、电解液组分调控两类策略来抑制锌枝晶生长和副反应问题以及提升锌离子电池的循环性能。构建人工界面层通常采用冗杂的制备工艺如cvd、热蒸镀等，在锌表面构建一层人造涂层。这导致整体的生产成本较高，且保护层厚度及成分的一致性难以精准控制。另外，锌负极表面的涂层极易在反复电镀-剥离过程中容易发生开裂和脱落，从而失去保护效果。电解液优化策略不会改变现有的电池制造工艺，而且能够有效调控锌离子沉积方式而显著提升锌离子电池的电化学性能，因而具有更好的应用优势和潜力。就目前电解液设计优化策略的研究现况而言，其主要涉及高浓度电解液、功能添加剂、杂化电解液、固态电解质等研究方向，其中功能性添加剂在改善溶剂化结构、调控锌沉积形貌和原位构筑稳定界面等方面有巨大优势。

3、目前已经报道通过引入添加剂开发的电解液具有离子电导率高、与电极-电解液界面兼容性好等优点，但是，这些电解液体系通常只在纽扣电池体系中做出验证。考虑到纽扣电池和实用化软包电池结构的差异，比如薄的锌负极厚度，有限的电解液用量，低的封装压力等，现有的电解液添加剂是否适用于大尺寸软包电池存在疑问。另外，一般电解液中引入的添加剂的分子结构和组分比较单一，造成其功能性的有限性。比如，具有长烷基链的添加剂在起到缓解腐蚀副反应的同时，牺牲了锌沉积过程的动力学；羧酸类添加剂在调控锌形核、沉积的同时易降低电解液的ph值，引发析氢副反应等。因此，急需开发一种适用于实用化软包电池体系的多功能水系电解液，以解决大尺寸软包锌基电池的枝晶生长、腐蚀等问题。

技术实现思路

1、为解决锌基软包电池的锌负极枝晶生长、腐蚀等问题本发明提供了一种水系电解液。

2、水系电解液包括含有疏基和磺酸基的非对称线性分子添加剂、金属盐和去离子水，所述金属盐的摩尔浓度为0.1-3mol/l，所述含有疏基和磺酸基的非对称线性分子添加剂的摩尔浓度为0.001-0.5mol/l。

3、进一步地，所述金属盐选自锂盐、钠盐、钙盐、钾盐、铝盐、锌盐中的一种或多种，所述锌盐选自硫酸锌、甲磺酸锌、三氟甲烷磺酸锌、双三氟甲烷磺酸亚胺锌、氯化锌、六氟硅酸锌、高氯酸锌或硝酸锌中一种或多种。

4、进一步地，所述含有疏基和磺酸基的有机线性分子添加剂选自3-巯基-1-丙烷磺酸钠、2-巯基乙烷磺酸钠、2,3-二巯基丙磺酸钠、3-(苯并噻唑-2-巯基)丙烷磺酸钠、3-硫-异硫脲丙基磺酸钠、n,n-二甲基二硫代甲酰胺丙烷磺酸钠中一种或多种。

5、进一步地，锌离子的摩尔浓度为0.5-3mol/l。

6、本发明的一个目的是提供一种锌离子软包电池。

7、该锌离子软包电池包括锌负极、正极、隔膜、铝塑膜和如上任一项所述的水系电解液。

8、进一步地，所述锌负极选自锌片锌箔、泡沫锌或锌粉，所述锌粉涂覆在集流体上形成所述锌负极，所述集流体选自钛箔、碳纤维布、石墨纸或镀锡铜箔。

9、进一步地，所述正极选自二氧化锰正极、五氧化二钒正极或碘正极。

10、进一步地，所述隔膜选自玻璃纤维隔膜、纤维素隔膜或亲水聚丙烯隔膜。

11、进一步地，所述水系电解液的用量为50-200μl/cm2。

12、与现有技术相比，本发明的优点主要体现在以下几个方面：

13、1)本申请提供的含有疏基和磺酸基的有机线性分子添加剂的电解液，基于化学键合作用可以在锌负极表面原位构筑梯度分子桥接界面。该分子桥接界面内层为有机分子的疏基与锌负极脱氢作用形成的锌-硫键，可以限制锌离子的二维扩散，有效解决了充放电过程中锌负极易生长枝晶的问题。该分子桥接界面外层为有机分子的磺酸基团，能加速锌离子形核动力学并排斥阴离子，解决了锌负极在水系电解液中易发生腐蚀、钝化的问题。

14、2)将该电解液应用在锌离子软包电池中，实现了大电流密度、循环容量以及高放电深度下的长循环寿命，比如做成的锌-锌对称软包电池在1ma/cm2的电流密度下循环超过2400小时以及在60％放电深度下稳定循环超过500小时；组装的锌离子软包全电池在1000ma的高电流密度下，具有超过1200mah的大放电容量和大约200圈的循环寿命等。

15、3)本申请涉及的材料具有来源丰富，价格低廉、制备方法简易、使用范围广泛等显著优势。

16、在水系锌基储能器件以及其他电池体系具有较大的应用前景和研究价值，有利于推进大规模储能的进一步发展。

技术特征：

1.一种水系电解液，其特征在于，包括含有疏基和磺酸基的有机线性分子添加剂、金属盐和去离子水，所述金属盐的摩尔浓度为0.1-3mol/l，所述含有疏基和磺酸基的有机线性分子添加剂的摩尔浓度为0.001-0.5mol/l。

2.如权利要求1所述的水系电解液，其特征在于，所述金属盐选自锂盐、钠盐、钙盐、钾盐、铝盐、锌盐中的一种或多种，所述锌盐选自硫酸锌、甲磺酸锌、三氟甲烷磺酸锌、双三氟甲烷磺酸亚胺锌、氯化锌、六氟硅酸锌、高氯酸锌或硝酸锌中一种或多种。

3.如权利要求1所述的水系电解液，其特征在于，所述含有疏基和磺酸基的有机线性分子添加剂选自3-巯基-1-丙烷磺酸钠、2-巯基乙烷磺酸钠、2,3-二巯基丙磺酸钠、3-(苯并噻唑-2-巯基)丙烷磺酸钠、3-硫-异硫脲丙基磺酸钠、n,n-二甲基二硫代甲酰胺丙烷磺酸钠中一种或多种。

4.如权利要求2所述的水系电解液，其特征在于，锌离子的摩尔浓度为0.5-3mol/l。

5.一种锌离子软包电池，其特征在于，包括锌负极、正极、隔膜、铝塑膜和如权利要求1-4任一项所述的水系电解液。

6.如权利要求5所述的锌离子软包电池，其特征在于，所述锌负极选自锌片锌箔、泡沫锌或锌粉，所述锌粉涂覆在集流体上形成所述锌负极，所述集流体选自钛箔、碳纤维布、石墨纸或镀锡铜箔。

7.如权利要求5所述的锌离子软包电池，其特征在于，所述正极选自二氧化锰正极、五氧化二钒正极或碘正极。

8.如权利要求5所述的锌离子软包电池，其特征在于，所述隔膜选自玻璃纤维隔膜、纤维素隔膜或亲水聚丙烯隔膜。

9.如权利要求5所述的锌离子软包电池，其特征在于，所述水系电解液的用量为50-200μl/cm2。

技术总结本发明属于电池领域，提供了一种水系电解液。该水系电解液包括含有疏基和磺酸基的有机线性分子添加剂、金属盐和去离子水，所述金属盐的摩尔浓度为0.1‑3mol/L，所述含有疏基和磺酸基的有机线性分子添加剂的摩尔浓度为0.001‑0.5mol/L。本申请提供的含有疏基和磺酸基的有机线性分子添加剂的电解液，基于化学键合作用可以在锌负极表面原位构筑梯度分子桥接界面。该分子桥接界面内层为有机分子的疏基与锌负极脱氢作用形成的锌‑硫键，可以限制锌离子的二维扩散，有效解决了充放电过程中锌负极易生长枝晶的问题。该分子桥接界面外层为有机分子的磺酸基团，能加速锌离子形核动力学并排斥阴离子，解决了锌负极在水系电解液中易发生腐蚀、钝化的问题。技术研发人员：韩翠平,甘河,李欢,齐佳伟,于李涛,成会明受保护的技术使用者：深圳理工大学（筹）技术研发日：技术公布日：2024/9/2