【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)屬于水系鋅離子電池領(lǐng)域，具體涉及一種含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液及其制備方法與應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、隨著化石燃料資源的枯竭，帶來(lái)了一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題能源短缺。因此對(duì)可再生能源的開(kāi)發(fā)、利用與存儲(chǔ)有著更為迫切的需求。可再生能源的大規(guī)模存儲(chǔ)一直都是困擾著人們的一個(gè)問(wèn)題，利用電池系統(tǒng)存儲(chǔ)是一個(gè)有效的解決方式，但是由于傳統(tǒng)鋰電池存在成本高、污染嚴(yán)重與易燃易爆等問(wèn)題，限制了其在大規(guī)模儲(chǔ)能方面的應(yīng)用。水性鋅離子電池因其成本效益和固有安全性而受到廣泛關(guān)注。然而，諸如鈍化、枝晶、析氫反應(yīng)和其他寄生反應(yīng)等問(wèn)題阻礙了金屬鋅在水系電解液中的實(shí)際應(yīng)用。
2、通過(guò)加入添加劑對(duì)電解液進(jìn)行改性，已被證實(shí)是一種有效減少副反應(yīng)與抑制枝晶生長(zhǎng)的有效手段。在鋅負(fù)極-電解液界面的電化學(xué)反應(yīng)中，脫溶劑/沉積過(guò)程一直起著重要的作用，而脫溶劑/沉積過(guò)程是由雙電層的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)決定的。在傳統(tǒng)的硫酸鋅電解液中，雙電層中鋅離子溶劑化結(jié)構(gòu)中的配位水在脫溶劑和鍍鋅過(guò)程中接收電子。該過(guò)程使得在鋅負(fù)極界面處發(fā)生析氫副反應(yīng)，增加了界面處oh-的濃度，隨后形成堿性硫化物副產(chǎn)物，鈍化鋅負(fù)極表面。此外，在雙電層的斥力作用下，由于鋅離子的二維隨機(jī)擴(kuò)散，導(dǎo)致鋅枝晶的廣泛生長(zhǎng)。因此，重構(gòu)鋅負(fù)極的雙電層結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)電極/電解液界面環(huán)境，能夠有效提高電池壽命與循環(huán)性能。
3、然而，如何選擇合適的添加劑來(lái)有效調(diào)節(jié)雙電層仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。在以往的研究中，添加劑吸附形式的微小變化對(duì)鋅負(fù)極界面雙電層結(jié)構(gòu)的影響往往被忽視，然而，吸附型添加劑的濃度變化對(duì)雙電層的影響是顯著的，這
4、因此，選擇合適的吸附型添加劑，精確調(diào)控吸附型添加劑的濃度，調(diào)控得到合適的鋅負(fù)極雙電層界面能夠有效的應(yīng)對(duì)水系鋅離子電池目前所面臨的析氫副反應(yīng)與枝晶生長(zhǎng)等問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、鑒于目前存在的上述不足，本專(zhuān)利技術(shù)提供一種含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液及其制備方法與應(yīng)用，本專(zhuān)利技術(shù)在含有鋅鹽溶質(zhì)的水系電解液中加入硅烷類(lèi)添加劑制備水系復(fù)合電解液，利用硅烷類(lèi)添加劑二甲基二乙氧基硅烷和甲基硅烷三醇等的親鋅特性調(diào)控鋅負(fù)極界面雙電層，研究了鋅負(fù)極界面雙電層化學(xué)環(huán)境與溶液化學(xué)環(huán)境的差異，并通過(guò)控制添加劑的濃度，調(diào)控鋅負(fù)極雙電層界面，有效的抑制了鋅枝晶生長(zhǎng)與界面副反應(yīng)，延長(zhǎng)鋅負(fù)極的循環(huán)時(shí)間，提高水系鋅離子電池的器件壽命。
2、本專(zhuān)利技術(shù)的目的在于，針對(duì)在水系鋅離子電池普遍存在的枝晶生長(zhǎng)和析氫反應(yīng)等問(wèn)題，提供一種含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液及其制備方法。所述含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液由可溶性鋅鹽、硅烷類(lèi)添加劑、色譜水組成，其制備方法包括以下步驟：
3、步驟1：往色譜水中加入可溶性鋅鹽配置成水系鋅鹽電解液；
4、步驟2：待水系鋅鹽電解液ph值穩(wěn)定后，加入硅烷類(lèi)添加劑，混合均勻后，靜置，獲得穩(wěn)定的含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液。
5、進(jìn)一步地，所述可溶性鋅鹽選自硫酸鋅、氯化鋅、硝酸鋅、乙酸鋅、三氟甲烷磺酸鋅、高氯酸鋅、三氟甲磺酰亞胺化鋅、四氟硼酸鋅的一種或兩種以上的組合。本專(zhuān)利技術(shù)優(yōu)選為硫酸鋅。
6、進(jìn)一步地，所述含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液中，可溶性鋅鹽的濃度為0.2-4mol/kg。本專(zhuān)利技術(shù)優(yōu)選可溶性鋅鹽濃度為3mol/kg。
7、進(jìn)一步地，所述硅烷類(lèi)添加劑為二甲基二乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二乙基二乙氧基硅烷、甲基硅烷三醇、二甲基硅烷二醇、三異丙基硅烷、三乙基硅烷、三乙基硅烷醇、三乙氧基硅烷中的任意一種。
8、優(yōu)選的，所述硅烷類(lèi)添加劑為二甲基二乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、甲基硅烷三醇、二甲基硅烷二醇中的任意一種。
9、進(jìn)一步地，所述硅烷類(lèi)添加劑的水系復(fù)合電解液中，硅烷類(lèi)添加劑的濃度為0.05-0.5m(m:mol/kg)。不同硅烷類(lèi)添加劑由于其分子上部分官能團(tuán)的不同，最佳添加濃度有所差異。參考實(shí)施例1-3，硅烷類(lèi)添加劑為二甲基二乙氧基硅烷的最佳濃度為0.1mol/kg，硅烷類(lèi)添加劑為二甲基二甲氧基硅烷、二甲基硅烷二醇或甲基硅烷三醇時(shí)的最佳濃度為0.2mol/kg。
10、本專(zhuān)利技術(shù)將上述含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液應(yīng)用于電池中，所述電池為含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液和商用鋅片組裝得到的對(duì)稱(chēng)電池；或?yàn)楹柰轭?lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液和商用集流體組裝得到的半電池；或含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液為電解液，商用鋅片作為負(fù)極，nh4v4o10/mno2或vo2作正極，組裝得到的水系鋅離子電池。
11、進(jìn)一步地，所述商用集流體選自鈦箔、銅箔、鎳箔、不銹鋼網(wǎng)、銅網(wǎng)、鎳網(wǎng)、泡沫銅、泡沫鎳的任意一種。
12、經(jīng)測(cè)試，上述含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液能夠大幅度延長(zhǎng)鋅負(fù)極的穩(wěn)定循環(huán)時(shí)間；根據(jù)其功能和效果，上述含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液能提高水系鋅離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性與鋅負(fù)極的可逆性。
13、本專(zhuān)利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：通過(guò)加入適量所述硅烷類(lèi)添加劑，其可以吸附在鋅負(fù)極表面調(diào)控鋅負(fù)極界面雙電層，有效的減少了水與鋅負(fù)極的之間接觸，減少了界面處的析氫副反應(yīng)。與此同時(shí)，該添加劑改善了鋅負(fù)極界面處鋅離子的擴(kuò)散方式，由2d擴(kuò)散為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐?d擴(kuò)散為主，有利于鋅離子在負(fù)極表面的均勻遷移與沉積，從而抑制鋅枝晶的形成和生長(zhǎng)，大幅度延長(zhǎng)鋅負(fù)極的循環(huán)時(shí)間，提高水系鋅離子電池的器件壽命，對(duì)稱(chēng)電池循環(huán)超過(guò)6000h，全電池循環(huán)接近2000圈，有效改善了水系鋅離子電池的性能。效果明顯優(yōu)于當(dāng)前的小分子有機(jī)物和聚合物添加劑。且所述添加劑的使用量少，使用方便。
14、本專(zhuān)利技術(shù)的特點(diǎn)為：
15、(1)通過(guò)硅烷類(lèi)添加劑對(duì)電解液進(jìn)行改性，添加劑的使用量少，制備成本低，制備方法簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模生產(chǎn)。
16、(2)本專(zhuān)利技術(shù)在電解液中引入的硅烷類(lèi)添加劑，憑借其親鋅的特性，吸附在電極表面，調(diào)控鋅負(fù)極界面處的雙電層，有效的減少了水與電極的之間接觸，減少了析氫副反應(yīng)，提高了鋅負(fù)極的可逆性。
17、(3)本專(zhuān)利技術(shù)在電解液中引入的硅烷類(lèi)添加劑，其分子中的富電子基團(tuán)能夠參與電解液中鋅離子的溶劑化結(jié)構(gòu)，減少鋅離子溶劑化鞘結(jié)構(gòu)中的配位水?dāng)?shù)量，增大鋅沉積過(guò)電位，使得鋅以更小的晶粒沉積，電極表面沉積更均勻。
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1.一種含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液，其特征在于，所述水系鋅離子電池電解液由可溶性鋅鹽、硅烷類(lèi)添加劑、色譜水組成；
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液，其特征在于，所述可溶性鋅鹽選自硫酸鋅、氯化鋅、硝酸鋅、乙酸鋅、三氟甲烷磺酸鋅、高氯酸鋅、三氟甲磺酰亞胺化鋅、四氟硼酸鋅中的至少一種；
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液，其特征在于，所述水系鋅離子電池電解液中硅烷類(lèi)添加劑的濃度為0.05-0.5mol/kg。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液在電池中的應(yīng)用。
6.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的應(yīng)用，其特征在于，所述電池為含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液和商用鋅片組裝得到的對(duì)稱(chēng)電池，含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液和商用集流體組裝得到的半電池，或含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液為電解液、商用鋅片作為負(fù)極、正極
7.根據(jù)權(quán)利要求6中所述的應(yīng)用，其特征在于，所述商用集流體選自鈦箔、銅箔、鎳箔、不銹鋼網(wǎng)、銅網(wǎng)、鎳網(wǎng)、泡沫銅、泡沫鎳的任意一種；
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液，其特征在于，所述水系鋅離子電池電解液由可溶性鋅鹽、硅烷類(lèi)添加劑、色譜水組成；
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液，其特征在于，所述可溶性鋅鹽選自硫酸鋅、氯化鋅、硝酸鋅、乙酸鋅、三氟甲烷磺酸鋅、高氯酸鋅、三氟甲磺酰亞胺化鋅、四氟硼酸鋅中的至少一種；
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液，其特征在于，所述水系鋅離子電池電解液中硅烷類(lèi)添加劑的濃度為0.05-0.5mol/kg。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述含硅烷類(lèi)添加劑的水系鋅離子電池電解液...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：馬韜，李忠玉，敖懷生，榮堅(jiān)，張雨哲，周滿(mǎn)，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：常州大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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