一种应用于锌离子电池的含脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂的电解质

本发明属于中性/弱酸性可充电锌离子电池，具体涉及一种含脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂的电解质，并应用于锌离子电池以调控锌均匀沉积。

背景技术：

1、锌离子电池(zibs)因其具有高安全性、低成本、高环保及高理论容量(820mahg-1)而备受关注，是一种具有广阔发展前景的高效清洁储能系统。然而在中性/弱酸性电解液中，锌金属因其固有的热力学不稳定性，易引发析氢、腐蚀钝化等寄生副反应，从而促进了不均匀的锌沉积，诱发无序的枝晶生长问题，从而导致电极/电解质界面不稳定，电池容量下降，库伦效率低，循环寿命短，甚至导致电池故障失效，极大的阻碍了锌离子电池的实用化进程。

2、目前，针对上述挑战，为解决锌枝晶、析氢、和腐蚀钝化带来的局限性，目前主要的一些优化策略，如电解质优化、电极改性和隔膜改进等方法，可以显著缓解这些问题。由于锌负极所面对的挑战主要集中在与电解质直接接触的界面上，电解质添加剂可以直接有效的对电极/电解质界面进行调控，致力于调节锌的沉积/剥离过程并抑制副反应，因此电解质优化策略是目前最可行、最高效的方法。有机添加剂，特别是表面活性剂类型，如二甲基亚砜、十二烷基苯磺酸钠，由于表面张力的影响，容易吸附在电极和电解质的界面上还原形成sei层，从而影响电解质/电极之间的接触能垒、溶质的脱溶剂化过程以及锌离子的沉积过程。可以优先与zn2+离子发生溶剂化作用，部分取代zn2+溶剂化鞘中的h2o分子，形成稳定的缺水溶剂化鞘，抑制析氢反应和锌枝晶生长，实现了锌负极的高可逆性。然而不含惰性封端的添加剂自身间易形成氢键网络妨碍离子传输，同时端基效应无法调控。而脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂具有惰性封端，可以防止自身氢键网络生成，同时可以通过调控重复单元及端基基团比例来调节端基效应。通过环氧乙烷中醚基基团与zn2+离子之间的相互作用，调节电极/电解质界面区域的zn2+离子浓度分布，实现界面zn2+离子分布均匀，从而促进了均匀的锌沉积/剥离过程。另一方面，优先吸附在锌负极表面形成sei层，确保了锌负极表面化学性质的一致性，减少析氢活性位点，并调控锌的热力学成核过程，诱导zn沿(002)晶面生长，促进了锌负极表面的均匀电荷分布，从而提高了锌负极的电化学稳定性，以实现高利用率、高容量、长循环的锌离子电池。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种应用于锌离子电池的含脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂的电解质，通过界面调控解决锌枝晶、析氢、和腐蚀钝化带来的局限性，实现高利用率、高容量、长循环的锌离子电池。

2、为实现上述目的，本发明提出一种应用于锌离子电池的含脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂的电解质，所述脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂具有式(1)所示结构，

3、

4、其中，式(1)中r代表c1～c25的烃基，所述烃基可以是直链烃基，也可以是带支链的烃基；n是环氧乙烷的加成数，也就是表面活性剂分子中氧乙烯基的数目，n＝1～50。

5、本发明中，c1～c20的烃基包括但不限于甲基、乙基、(异)丙基、(异)丁基、(异)戊基、(异)己基、(异)庚基、(异)辛基、(异)壬基。

6、本发明中，电解质包括：脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂、去离子水/凝胶聚合物基质、中性/弱酸性可溶性锌盐。

7、进一步的，所述的脂肪醇聚氧乙烯醚添加剂的添加量的优选浓度为0.1～20wt％。

8、进一步的，所述的中性/弱酸性可溶性锌盐为氯化锌、硫酸锌、硝酸锌、乙酸锌、三氟甲烷磺酸锌、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺锌中的一种或多种。

9、进一步的，所述的凝胶聚合物基质包含聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚乙烯所甲醛、聚偏氟乙烯基聚合物中的一种或多种。

10、进一步的，所述的中性/弱酸性可溶性锌盐的优选浓度为0.5～30mol/l。

11、本发明还提供一种锌离子电池，将上述的电解质同含活性物质的正极、隔膜、负极相匹配进行组装。

12、进一步的，所述的正极所含活性物质为锰基化合物、钒基化合物、普鲁士蓝类似物、聚阴离子化合物、聚苯胺材料中的一种。

13、进一步的，所述的隔膜为玻璃纤维隔膜、滤纸、纤维素隔膜中的一种或多种。

14、进一步的，所述的负极为锌箔、锌板、电沉积锌负极、三维泡沫锌负极、锌合金复合负极、锌粉负极中的一种。

15、进一步的，将上述含脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂的电解质应用于制备锌离子电池。

16、本发明的有益效果在于：

17、本发明所述的添加剂中醚基不易被酸、碱破坏，稳定性高，水溶性好，耐电解质。在电解质中，该添加剂与zn2+离子间具有强相互作用，可以改变zn2+的溶剂化结构，减少溶剂化鞘层中活性水分子数量，抑制由活性水诱发的析氢、腐蚀等副反应。其次，该添加剂中醚基与zn2+离子之间的相互作用，促进zn2+离子向电极表面的快速、均匀迁移，诱导zn沿(002)晶面生长，促进了锌负极表面的均匀电荷分布，大大减少了枝晶的生长和副产物的形成。因此，该添加剂能够调控zn2+离子浓度及电极/电解质界面离子通量，促进了均匀的锌沉积/剥离过程，实现稳定的电极/电解质界面，由此构筑高利用率、高容量、长循环的锌离子电池。

18、本发明所提供的脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂具有微量高效、低成本、可操作性强等优点，可有效抑制锌离子电池副反应及枝晶问题，由此构筑高性能的锌离子电池。

技术特征：

1.一种应用于锌离子电池的含脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂的电解质，其特征在于，所述电解质包含：脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂、去离子水/凝胶聚合物基质、中性/弱酸性可溶性锌盐；所述脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂为非离子表面活性剂，其通式如下:

2.根据权利要求1所述的一种应用于锌离子电池的含脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂的电解质，其特征在于，所述脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂的添加量为0.1～20wt％。

3.根据权利要求1所述的一种应用于锌离子电池的含脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂的电解质，其特征在于，所述中性/弱酸性可溶性锌盐为包括：氯化锌、硫酸锌、硝酸锌、乙酸锌、三氟甲烷磺酸锌、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺锌中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种应用于锌离子电池的含脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂的电解质，其特征在于，所述的中性/弱酸性可溶性锌盐的浓度为0.5～30mol/l。

5.根据权利要求1所述的一种应用于锌离子电池的含脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂的电解质，其特征在于，所述的凝胶聚合物基质包含聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚乙烯所甲醛、聚偏氟乙烯基聚合物中的一种或多种。

6.一种锌离子电池，其特征在于，所述的锌离子电池由权利要求1-5任一所述电解质、含活性物质的正极、隔膜、负极共同构筑。

7.根据权利要求6所述的一种锌离子电池，其特征在于，所述的正极所含的活性物质为锰基化合物、钒基化合物、普鲁士蓝类似物、聚阴离子化合物、聚苯胺材料中的任意一种。

8.根据权利要求6所述的一种锌离子电池，其特征在于，所述的隔膜为玻璃纤维隔膜、滤纸、纤维素隔膜中的一种或多种。

9.根据权利要求6所述的一种锌离子电池，其特征在于，所述的负极为锌箔、锌板、电沉积锌负极、三维泡沫锌负极、锌合金复合负极、锌粉负极中的任意一种。

10.如权利要求1-5任一所述含脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂的电解质在制备锌离子电池中的应用。

技术总结本发明涉及一种含脂肪醇聚氧乙烯醚类添加剂的电解质，并应用于锌离子电池以调控锌均匀沉积。本发明属于中性/弱酸性可充电锌离子电池技术领域。本发明通过向电解液/凝胶电解质中加入微量脂肪醇聚氧乙烯醚，利用其亲锌性吸附在电极表面，对电极/电解质界面进行调控。本发明所述的脂肪醇聚氧乙烯醚类电解质添加剂具有微量高效、低成本、可操作性强等优点，可有效抑制锌离子电池副反应及枝晶问题，具有良好的应用前景。技术研发人员：张焱焱,陈丹灵,王辉波,汤育欣受保护的技术使用者：福州大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29