一种固态电解质及其制备方法和应用

本申请实施例涉及水系锌离子电池，特别是涉及一种固态电解质及其制备方法和应用。

背景技术：

1、水系锌离子电池具有环保、安全、成本低、容量大等优点，是一种正在蓬勃发展的电化学储能器件。然而，水系锌离子电池的实际应用受到由水性电解液引起的锌金属负极枝晶、析氢、腐蚀和正极材料溶解导致电池性能低等问题。减少活性水分子是解决正、负极存在问题的关键，目前对已有的水系电解质通常通过电解液添加剂或建立正、负极sei保护层来抑制活度水的侵蚀作用，但无法真正解决活度水对正、负极的侵蚀问题。所以，开发新型具有优异导锌离子的固态电解质是实现无枝晶锌负极和抑制正极材料溶解的有效方法。另外，钒基正极在低电流密度循环过程中钒的严重溶解，往往会导致晶格结构的破坏和容量保持率的下降，这限制了钒基正极的实际应用。减少电解液中自由水分子的含量，避免自由水分子与钒基正极之间的直接接触是抑制钒基溶解的有效方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请实施例提供一种固态电解质及其制备方法和应用，该固态电解质具有导锌离子能力，能允许锌离子的可逆穿梭以及引导锌离子的均匀沉积，并能抑制正极材料的溶解，能够有效解决现有锌离子电池的实际应用受到由水性电解液引起的锌金属负极枝晶、析氢、腐蚀和正极材料溶解导致电池性能低等问题。

2、本申请实施例第一方面提供一种固态电解质的制备方法，包括以下步骤：

3、将离心清洗杂质后的天然无机矿物质与锌盐电解液混合进行离子交换，经离心清洗、干燥后得到固态电解质。

4、本实施例以应用广泛的天然无机矿物质高岭土或海泡石粉为原料，制备了具有电子绝缘体和锌离子导体固有性能的固体电解质。得益于固体电解质的二维层状结构、无水状态和本征锌离子导体，它不仅有效地提供了便捷的锌离子传输途径，引导了锌离子的均匀沉积，减少了负极/电解质界面的副反应，而且有效地抑制了钒的溶解，稳定了钒基的晶体结构，确保了锌离子在正极/电解质界面的可逆嵌插行为，使得电池具有高稳定性、高倍率性能和长循环寿命等优点。

5、在可以包括上述实施例的一些实施例中，具体包括以下步骤：。

6、(1)将高岭土/海泡石粉经去离子水离心清洗、干燥后得到无杂质粉末，备用；

7、(2)将所述无杂质粉末与锌盐电解液混合，充分搅拌，得到混合物，将所述混合物离心清洗、干燥后得到固态电解质。

8、在可以包括上述实施例的一些实施例中，步骤(2)具体包括如下过程：

9、将所述无杂质粉末和锌盐电解液置于烧杯中，加入搅拌磁子，以400-600r/min充分搅拌混合2-14h，得到混合物，再将混合物使用去离子水离心清洗、干燥后得到固态电解质。

10、在可以包括上述实施例的一些实施例中，所述无杂质粉末和锌盐电解液的用量比为(1g-5g):(15ml-75ml)；或

11、所述无杂质粉末和锌盐电解液的用量比为(2g-4g):(25ml-50ml)。

12、在可以包括上述实施例的一些实施例中，所述锌盐电解液为硫酸锌电解液、三氟甲烷磺酸锌电解液、氯化锌电解液、醋酸锌电解液中的至少一种；优选地，锌盐电解液为硫酸锌电解液；或

13、所述锌盐电解液浓度为1.5-3mol/l。

14、在可以包括上述实施例的一些实施例中，还包括以下步骤：

15、(3)称取所述固态电解质，使用压片机压片，即可制得稳定的片状固态电解质。

16、优选地，步骤(3)具体为：称取0.1-0.2g固态电解质，使用压片机压片，即可制得稳定的片状固态电解质，固态电解质的厚度为1mm-8mm；优选为2mm-6mm；或

17、在可以包括上述实施例的一些实施例中，所述压片机的压片压力为800-1200pa；优选为900-1000pa。

18、本申请实施例第二方面还提供上述的制备方法制备得到的固态电解质。

19、本申请实施例第三方面还提供上述的固态电解质在制备水系锌离子电池和水系锌碘电池中的应用。

20、本申请实施例第四方面还提供一种水系锌离子电池，所述水系锌离子电池包括电池壳体和位于电池壳体内的正极、隔膜和负极，其中，所述隔膜为上述的固态电解质；或

21、所述正极为钒基材料、锰基材料和固碘高活性碳中的至少的一种。

22、优选地，钒基材料为nvo；锰基材料为mno2；固碘高活性碳为upc@i2。

23、需要说明的是，固态电解质扮演隔膜与电解质的双重角色，进一步节约了成本。

24、本申请实施例与现有技术相比，具有如下有益效果：

25、1、本申请实施例中的电解质由低成本的天然矿物质高岭土组成，利用高岭土及其独特的二维层状结构引导均匀的锌沉积，使其具有优异的导锌离子的能力，可以解决锌金属负极的枝晶及腐蚀问题，高岭土固态电解质几乎不含水分子，又可以在小电流下抑制钒基正极的溶解，解决钒基正极溶解问题。从而提高电池长循环稳定性，使得电池具有高稳定性、高倍率性能和长循环寿命等优点，另外，本申请的固态电解质也可抑制锰正极的溶解。

26、2、本申请制备工艺简单，重复性好，可大面积制备，批量生产；选取高岭土作为固态电解质，其制作工艺简单，资源丰富，成本低廉，性能优异，且可大面积应用的水系锌离子电池与锌碘电池，具有广阔的电池体系适用性；本申请实施例为天然矿物基固体电解质的设计提供参考，为固体电解质在水基二次电池中的大规模制备和应用铺平道路，具有广阔的工业化应用前景。

技术特征：

1.一种固态电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的固态电解质的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：。

3.根据权利要求2所述的固态电解质的制备方法，其特征在于，步骤(2)具体包括如下过程：

4.根据权利要求1所述的固态电解质的制备方法，其特征在于，所述无杂质粉末和锌盐电解液的用量比为(1g-5g):(15ml-75ml)；或

5.根据权利要求1所述的固态电解质的制备方法，其特征在于，所述锌盐电解液为硫酸锌电解液、三氟甲烷磺酸锌电解液、氯化锌电解液、醋酸锌电解液中的至少一种；或

6.根据权利要求2所述的固态电解质的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的固态电解质的制备方法，其特征在于，所述压片机的压片压力为800-1200pa。

8.权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到的固态电解质。

9.权利要求8所述的固态电解质在制备水系锌离子电池和水系锌碘电池中的应用。

10.一种水系锌离子电池，其特征在于，所述水系锌离子电池包括电池壳体和位于电池壳体内的正极、隔膜和负极，其中，所述隔膜为权利要求8所述的固态电解质；或

技术总结本申请实施例涉及一种固态电解质及其制备方法和应用，属于水系锌离子电池技术领域。本申请实施例旨在解决现有锌离子电池的实际应用受到由水性电解液引起的锌金属负极枝晶、析氢、腐蚀和正极材料溶解导致电池性能低的技术问题。本申请实施例的一种固态电解质的制备方法，包括以下步骤：将离心清洗杂质后的天然无机矿物质与锌盐电解液混合进行离子交换，经干燥后制得固态电解质。本申请实施例所提供的固态电解质具有导锌离子能力，能允许锌离子的可逆穿梭以及引导锌离子的均匀沉积，并能抑制正极材料的溶解。技术研发人员：田新龙,史晓东,周传聪,邢振月,南晴,李富龙,高亚婷,张杰受保护的技术使用者：海南大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9