【技術實現步驟摘要】
本申請屬于電池儲能，尤其涉及一種水系鋅離子電池電解液添加劑、電解液和凝膠電解質的制備方法與應用。
技術介紹
1、水系鋅離子電池因具有高安全性、低成本及環境友好等諸多優勢而備受關注。但水系鋅離子電池中傳統電解液與金屬鋅負極間存在較多副反應，如鋅枝晶的生長、析氫、析氧反應及鋅金屬的腐蝕等，上述問題嚴重限制了水系鋅離子電池的循環穩定性及使用場景。針對以上問題，研究人員提出了多種策略進行改進，包括鋅負極的表面調控、新型鋅負極的結構化設計、電極與電解液間的界面修飾以及優化電解液等。其中，向電解液中引入添加劑來優化電解液結構具有成本低、操作簡單等優勢，且電解液添加劑的加入能夠調控鋅離子的傳輸歷程進而提高鋅負極的可逆性，提高水系鋅離子電池的循環穩定性和循環壽命。然而，傳統的添加劑成本較高，且存在易燃、有毒等安全隱患。此外，常規使用的水系鋅離子電池用電解液添加劑種類較少且易與電解液中的其它溶劑配位等問題有待進一步解決。
2、將電解液分散在高分子化合物中制備凝膠電解質也被證明是改善鋅離子電池電化學性能的有效策略。凝膠電解質的使用在簡化電池結構、降低電池成本的同時，可實現金屬鋅負極與液態水的分離進而抑制副反應的發生。聚丙烯酰胺是最經典的凝膠電解質用高分子化合物基體之一，然而，在聚丙烯酰胺凝膠電解質中，鋅離子的傳輸受到聚合物網絡的阻礙阻力較大，使得凝膠電解質的離子電導率較低。研究表明通過向凝膠電解質中引入添加劑可以實現凝膠電解質的結構優化。
3、但是，現有的添加劑在引入凝膠電解質時存在如下問題：一是引入的添加劑無法改變鋅離子的
技術實現思路
1、本申請公開了一種水系鋅離子電池電解液添加劑、電解液和凝膠電解質的制備方法與應用，旨在解決現有水系鋅離子電池中所存在的鋅枝晶生長、離子電導率低、長循環穩定性差等的技術問題。
2、為了實現上述目的，本申請的技術方案是：
3、本申請的第一方面提供了一種水系鋅離子電池電解液添加劑，所述添加劑具備式(1)所示的化學結構：
4、
5、式(1)中，r1為-h、c1-c15的鏈狀烷基及其同分異構基團、c3-c12的環狀烷基、c1-c15的取代鏈狀烷基及其同分異構基團、c3-c12的取代環狀烷基、苯基、取代苯基中的一種或幾種；r2為-h、-ch3中的一種；n＝0-20。
6、結合第一方面優選地，所述添加劑具備式(2)-(23)任一所示的化學結構：
7、
8、
9、
10、本申請的第二方面提供了一種水系鋅離子電池電解液，包括水、溶解于水中的可溶性鋅鹽以及第一方面所述的水系鋅離子電池電解液添加劑；
11、其中，可溶性鋅鹽的濃度為0.5-3mol/l；
12、水系鋅離子電池電解液添加劑的加入量與水的質量比為0.01-100g：1000g。
13、結合第二方面優選地，所述可溶性鋅鹽為znso4、zn(cf3so3)2、zn(no3)2、zn(clo4)2、zncl2、znf2、zn(ch3coo)2、zn(bf4)2中的一種。
14、本申請的第三方面提供了一種水系鋅離子電池的凝膠電解質，包括聚丙烯酰胺凝膠以及分散于聚丙烯酰胺凝膠中的電解液；
15、所述電解液包括第二方面所述的水系鋅離子電池電解液。
16、本申請的第四方面提供了第三方面所述的水系鋅離子電池的凝膠電解質的制備方法，所述方法包括：
17、將50-400g/l丙烯酰胺、10-90g/l引發劑、0.1-3g/ln,n’-亞甲基雙丙烯酰胺依次加入第二方面所述的水系鋅離子電池電解液中進行混合，得到混合溶液；
18、將所述混合溶液注入模具中，在保護氣體條件下進行熱處理后，冷卻至室溫，即得所述水系鋅離子電池的凝膠電解質。
19、結合第四方面優選地，所述引發劑為過硫酸鈉、過硫酸銨、過硫酸鉀中的一種。
20、結合第四方面優選地，所述將50-400g/l丙烯酰胺、10-90g/l引發劑、0.1～3g/ln,n’-亞甲基雙丙烯酰胺依次加入第二方面所述的水系鋅離子電池電解液中進行混合時，攪拌溫度為15-35℃，攪拌時間為5-30min。
21、結合第四方面優選地，所述保護氣體為氮氣、氬氣、二氧化碳中的一種；
22、和/或，所述在保護氣體條件下進行熱處理時的溫度為40-120℃，熱處理的時間為5-120min。
23、本申請的第五方面提供了第二方面所述的水系鋅離子電池電解液和第三方面所述的水系鋅離子電池的凝膠電解質在水系鋅離子電池中的應用。
24、與現有技術相比，本申請實施例的優點或有益效果至少包括：
25、本申請提供的水系鋅離子電池電解液添加劑以苯醚為結構母核，并使在結構母核上取代修飾兩類基團，一方面分子結構母核左側的r1基團能夠使水分子在電極表面排列有序的“籠形”結構被破壞，水分子熵增加，這部分水遠離電極進入自由水中，從而減少電極表面的副反應產生，同時可以降低鋅離子的成核過電位，加速鋅離子在鋅負極表面的均勻沉積和溶出，減少副枝晶的生成；另一方面，分子結構母核右側的鏈狀醚和r2基團能夠與電解液/電解質中的水結合，可以有效的改善鋅離子周圍的水溶劑化鞘層結構、降低了去溶劑化能壘，使鋅離子能有效地從與之緊密結合的溶劑化鞘層中分離出來，在水系電解液中表現為能夠有效調控添加劑分子對電解液中鋅離子的配位-解離平衡，從而大幅提高電池正、負極/電解液界面處的鋅離子傳輸速率；第三方面，結構母核不僅具有空間限位作用，而且能夠調節負極表面zn2+的分布以及電荷傳遞的均勻性，顯著提高循環壽命；第四方面，本申請提供的添加劑結構準確、種類豐富、溶解性好，能夠同時提升水系鋅離子電池的離子電導率和循環性能，具有良好的工業化應用前景。
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1.一種水系鋅離子電池電解液添加劑，其特征在于，所述添加劑具備式(1)所示的化學結構：
2.根據權利要求1所述的水系鋅離子電池電解液添加劑，其特征在于，所述添加劑具備式(2)-(23)任一所示的化學結構：
3.一種水系鋅離子電池電解液，其特征在于，包括水、溶解于水中的可溶性鋅鹽以及權利要求1-2任一所述的水系鋅離子電池電解液添加劑；
4.根據權利要求3所述的水系鋅離子電池電解液，其特征在于，所述可溶性鋅鹽為ZnSO4、Zn(CF3SO3)2、Zn(NO3)2、Zn(ClO4)2、ZnCl2、ZnF2、Zn(CH3COO)2、Zn(BF4)2中的一種。
5.一種水系鋅離子電池的凝膠電解質，其特征在于，包括聚丙烯酰胺凝膠以及分散于聚丙烯酰胺凝膠中的電解液；
6.一種根據權利要求5所述的水系鋅離子電池的凝膠電解質的制備方法，其特征在于，所述方法包括：
7.根據權利要求6所述的水系鋅離子電池的凝膠電解質的制備方法，其特征在于，所述引發劑為過硫酸鈉、過硫酸銨、過硫酸鉀中的一種。
8.根據權利要求6所述的水系
9.根據權利要求6所述的水系鋅離子電池的凝膠電解質的制備方法，其特征在于，所述保護氣體為氮氣、氬氣、二氧化碳中的一種；
10.一種根據權利要求3-4任一所述的水系鋅離子電池電解液和權利要求5所述的水系鋅離子電池的凝膠電解質在水系鋅離子電池中的應用。
...【技術特征摘要】
1.一種水系鋅離子電池電解液添加劑，其特征在于，所述添加劑具備式(1)所示的化學結構：
2.根據權利要求1所述的水系鋅離子電池電解液添加劑，其特征在于，所述添加劑具備式(2)-(23)任一所示的化學結構：
3.一種水系鋅離子電池電解液，其特征在于，包括水、溶解于水中的可溶性鋅鹽以及權利要求1-2任一所述的水系鋅離子電池電解液添加劑；
4.根據權利要求3所述的水系鋅離子電池電解液，其特征在于，所述可溶性鋅鹽為znso4、zn(cf3so3)2、zn(no3)2、zn(clo4)2、zncl2、znf2、zn(ch3coo)2、zn(bf4)2中的一種。
5.一種水系鋅離子電池的凝膠電解質，其特征在于，包括聚丙烯酰胺凝膠以及分散于聚丙烯酰胺凝膠中的電解液；
6.一種根據權利要求5所述的水系鋅離子電...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王迎，張明，余曹文鑫，吳曉斌，賴超，
申請(專利權)人：江蘇師范大學，
類型：發明
國別省市：
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