【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及水系鋅離子電池，具體涉及一種水系鋅碘電池的電解液、水系鋅碘電池和無電極水系鋅碘電池。
技術介紹
1、為實現可持續發展，需要人們大力開發與新型可再生能源配套的高效儲能系統。水系鋅離子電池由于具有低氧化還原電位(–0.762v，與標準氫電極相比)、高理論容量(820mah?g–1)、低成本、本質安全和環境友好等特點，是一種很有前景的大規模儲能設備。在鋅離子電池的各種候選正極中，碘基正極表現出高比容量(211mah?g–1)、高氧化還原電位(1.2v)和低毒性等優勢而備受研究者青睞。
2、近年來水系鋅碘電池取得了很大的發展，不幸的是，鋅碘電池仍然存在一些缺陷，極大地阻礙了其大規模應用。碘正極易溶于含碘電解質，與i–反應形成i3–和i5–等多碘離子，在隔膜上來回穿梭，導致活性物質損失和庫倫效率降低，從而致使容量衰減和電池失效。此外，鋅金屬負極面臨嚴重的副反應。由于尖端效應，鋅容易在尖端處堆積，嚴重的枝晶生長容易導致庫倫效率降低和電池故障。需要采取措施緩解上述問題，提高正負極界面穩定性，改善水系鋅碘電池的電化學性能。
3、可以從碘正極設計和改造、隔膜改性、電解質工程和鋅金屬負極保護等方面來解決上述問題。cn113725414a公開了一種水系鋅碘二次電池正極材料及其正極和水系鋅碘二次電池。所述正極材料包括粘結劑、導電劑和正極活性材料，正極活性材料為陰離子交換纖維/樹脂與碘的復合材料；將正極活性材料、導電劑和粘結劑研磨混合，混勻后加入n-甲基吡咯烷酮或者蒸餾水攪勻得到正極材料漿液；所得漿液涂覆在集流體上，
4、然而，正極和負極工程主要只能解決單側的問題，并且往往涉及復雜的合成步驟，如原子層沉積，限制了其廣泛的適用性。隔膜改性需要嚴格控制其體積和重量以最小化它們對能量密度的影響。相比之下，電解質工程可以同時解決正負極中存在的問題并且易于規模化使用，有更廣泛的應用前景。
5、因此，尋找能同時穩定鋅碘電池正負極，改善其電化學性能的水系鋅碘電池電解液具有重要意義。
技術實現思路
1、本專利技術針對水系鋅碘電池中碘正極易溶解后在隔膜上穿梭，鋅負極易產生枝晶，導致電池容量衰減和電池失效的問題，提供一種水系鋅碘電池電解液，該電解液可以有效解決水系鋅碘電池中碘正極溶解、聚碘陰離子穿梭以及鋅負極形成枝晶的問題，從而可以顯著提高水系鋅碘電池的比容量、庫倫效率和能量效率。
2、為實現上述目的，本專利技術采用的技術方案是：
3、一種水系鋅碘電池的電解液，包括正極電極液和負極電解液，所述正極電解液包括鋅鹽、碘鹽、締合劑和水，所述負極電解液包括鋅鹽和水；
4、所述締合劑為季銨鹽，通式為r1r2r3r4nx，式中，r1～r4為飽和烷基碳鏈–cnh2n+1，n選自1～4的自然數，x為鹵素負離子，包括f–、cl–、br–、i–。
5、本專利技術公開了一種水系鋅碘電池電解液，首次加入季銨鹽締合劑，經試驗發現，季銨鹽締合劑的加入可以穩定水系鋅碘電池的正負極，有效解決鋅碘電池中碘正極溶解和聚碘陰離子穿梭以及鋅負極形成枝晶的問題，因此可以同時提高水系鋅碘電池的比容量、庫倫效率和能量效率。
6、本專利技術中季銨鹽締合劑主要利用其和碘單質間強的結合能力，生成固態的r1r2r3r4ni2x，抑制聚碘陰離子的生成，從而有效解決了碘正極溶解和聚碘陰離子穿梭的問題。同時，季銨鹽締合劑中的有機季銨陽離子由于靜電作用，可以在鋅枝晶尖端處優先吸附，提高鋅的成核過電位。通過靜電屏蔽作用，抑制鋅枝晶的產生。這些效應致使電池的比容量、庫倫效率和能量效率得到提高。
7、所述締合劑包括四甲基氟化銨、四甲基氯化銨、四甲基溴化銨、四甲基碘化銨、乙基三甲基溴化銨、乙基三甲基碘化銨、甲基三乙基氟化銨、甲基三乙基氯化銨、甲基三乙基溴化銨、甲基三乙基碘化銨、四乙基氟化銨、四乙基氯化銨、四乙基溴化銨、四乙基碘化銨、三甲基丙基溴化銨、三丙基甲基氟化銨、三丙基甲基碘化銨、四丙基氟化銨、四丙基氯化銨、四丙基溴化銨、四丙基碘化銨、四丁基氟化銨、四丁基氯化銨、四丁基溴化銨、四丁基碘化銨中的一種或多種。
8、所述碘鹽選自碘化鉀、碘化鋅、碘化鈉中的一種或幾種。
9、本專利技術中對于鋅鹽的種類沒有特殊要求，可以選自本領域的常規種類，如硫酸鋅、碘化鋅、三氟甲烷磺酸鋅、雙三氟甲基磺酰亞胺鋅、四氟硼酸鋅、六氟磷酸鋅、氯化鋅、醋酸鋅和硝酸鋅的一種或幾種；
10、所述正極電解液中締合劑摩爾濃度為0.1～2.0mol?l–1；鋅鹽的摩爾濃度為0.1～5.0mol?l–1；碘鹽的摩爾濃度為0.1～3.0mol?l–1；所述負極電解液中鋅鹽的摩爾濃度為0.1～5.0mol?l–1。
11、所述正極電解液中締合劑摩爾濃度為0.1～1.0mol?l–1；碘鹽的摩爾濃度為0.1～0.5mol?l–1；所述負極電解液中鋅鹽的摩爾濃度為0.1～2.0mol?l–1。
12、所述正極電解液中締合劑和碘鹽中碘離子的摩爾比為2:0.5-1，進一步優選締合劑和碘鹽中碘離子的摩爾比為2:1。
13、本專利技術還提供一種水系鋅碘電池，包括正極集流體、隔膜、鋅負極和電解液，所述電解液中正極電解液選自如所述的正極電解液，負極電解液由鋅鹽和水組成。
14、基于上述電解液組裝的水系鋅碘電池由于正極的碘離子與締合劑形成聚碘陰離子，避免了其穿梭導致的電池效率下降，締合劑還能抑制鋅枝晶，電池兼具高比容量、高庫倫效率和高能量效率的優異性能。
15、在水系鋅碘電池中，所述正極集流體選用碳紙、碳布、碳網、活性炭涂布的碳紙、活性炭涂布的碳布、活性炭涂布的碳網中的一種或多種；所述隔膜選自玻璃纖維膜、nafion膜、pp膜和pe膜中的一種或多種；
16、所述鋅負極選自鋅箔、鋅粉、鋅合金箔中的一種或多種。
17、本專利技術還提供一種無電極水系鋅碘電池，包括正極集流體、隔膜、負極集流體和電解液，所述電解液中正極電解液選自所述的正極電解液，負極電解液由鋅鹽和水組成。采用本專利技術公開的電解液組裝的無電極水系鋅碘電池，能夠穩定循環并且具有較高的庫倫效率。
18、在無電極水系鋅碘電池中，所述正極集流體選用碳紙、碳布、碳網、活性炭涂布的碳紙、活性炭涂布的碳布、活性炭涂布的碳網中的一種或多種；
19、所述隔膜選自玻璃纖維膜、nafion膜、pp膜和pe膜中的一種或多種；
20、所述負極集流體選自銅箔、銅網、鈦箔、鈦網、不銹鋼箔和不銹鋼網中的一種或多種。
21、與現有技術相比，本專利技術具有以下有益效果：
22、(1)本專利技術中季銨鹽締合劑主要利用其和碘單質間強的結本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種水系鋅碘電池的電解液，其特征在于，包括正極電極液和負極電解液，所述正極電解液包括碘鹽、締合劑和水，所述負極電解液包括鋅鹽和水；
2.根據權利要求1所述的水系鋅碘電池的電解液，其特征在于，所述締合劑包括四甲基氟化銨、四甲基氯化銨、四甲基溴化銨、四甲基碘化銨、乙基三甲基溴化銨、乙基三甲基碘化銨、甲基三乙基氟化銨、甲基三乙基氯化銨、甲基三乙基溴化銨、甲基三乙基碘化銨、四乙基氟化銨、四乙基氯化銨、四乙基溴化銨、四乙基碘化銨、三甲基丙基溴化銨、三丙基甲基氟化銨、三丙基甲基碘化銨、四丙基氟化銨、四丙基氯化銨、四丙基溴化銨、四丙基碘化銨、四丁基氟化銨、四丁基氯化銨、四丁基溴化銨、四丁基碘化銨中的一種或多種；
3.根據權利要求1所述的水系鋅碘電池的電解液，其特征在于，所述鋅鹽選自硫酸鋅、碘化鋅、三氟甲烷磺酸鋅、雙三氟甲基磺酰亞胺鋅、四氟硼酸鋅、六氟磷酸鋅、氯化鋅、醋酸鋅和硝酸鋅的一種或幾種。
4.根據權利要求1所述的水系鋅碘電池的電解液，其特征在于，所述正極電解液中締合劑摩爾濃度為0.1～2.0mol?L–1；鋅鹽的摩爾濃度為0.1～5.0mol?L–
5.根據權利要求1所述的水系鋅碘電池的電解液，其特征在于，所述正極電解液中締合劑摩爾濃度為0.1～1.0mol?L–1；碘鹽的摩爾濃度為0.1～0.5mol?L–1；所述負極電解液中鋅鹽的摩爾濃度為0.1～2.0mol?L–1。
6.根據權利要求1所述的水系鋅碘電池的電解液，其特征在于，所述正極電解液中締合劑和碘鹽中碘離子的摩爾比為2:0.5-1。
7.一種水系鋅碘電池，包括正極集流體、隔膜、鋅負極和電解液，其特征在于，所述電解液中正極電解液選自如權利1～6任一項所述的正極電解液，負極電解液由鋅鹽和水組成。
8.根據權利要求7所述的水系鋅碘電池，其特征在于，所述正極集流體選用碳紙、碳布、碳網、活性炭涂布的碳紙、活性炭涂布的碳布、活性炭涂布的碳網中的一種或多種；
9.一種無電極水系鋅碘電池，包括正極集流體、隔膜、負極集流體和電解液，其特征在于，所述電解液中正極電解液選自如權利1～6任一項所述的正極電解液，負極電解液由鋅鹽和水組成。
10.根據權利要求9所述的無電極水系鋅碘電池，其特征在于，所述正極集流體選用碳紙、碳布、碳網、活性炭涂布的碳紙、活性炭涂布的碳布、活性炭涂布的碳網中的一種或多種；
...【技術特征摘要】
1.一種水系鋅碘電池的電解液，其特征在于，包括正極電極液和負極電解液，所述正極電解液包括碘鹽、締合劑和水，所述負極電解液包括鋅鹽和水；
2.根據權利要求1所述的水系鋅碘電池的電解液，其特征在于，所述締合劑包括四甲基氟化銨、四甲基氯化銨、四甲基溴化銨、四甲基碘化銨、乙基三甲基溴化銨、乙基三甲基碘化銨、甲基三乙基氟化銨、甲基三乙基氯化銨、甲基三乙基溴化銨、甲基三乙基碘化銨、四乙基氟化銨、四乙基氯化銨、四乙基溴化銨、四乙基碘化銨、三甲基丙基溴化銨、三丙基甲基氟化銨、三丙基甲基碘化銨、四丙基氟化銨、四丙基氯化銨、四丙基溴化銨、四丙基碘化銨、四丁基氟化銨、四丁基氯化銨、四丁基溴化銨、四丁基碘化銨中的一種或多種；
3.根據權利要求1所述的水系鋅碘電池的電解液，其特征在于，所述鋅鹽選自硫酸鋅、碘化鋅、三氟甲烷磺酸鋅、雙三氟甲基磺酰亞胺鋅、四氟硼酸鋅、六氟磷酸鋅、氯化鋅、醋酸鋅和硝酸鋅的一種或幾種。
4.根據權利要求1所述的水系鋅碘電池的電解液，其特征在于，所述正極電解液中締合劑摩爾濃度為0.1～2.0mol?l–1；鋅鹽的摩爾濃度為0.1～5.0mol?l–1；碘鹽的摩爾濃度為0.1～3.0mol?l–1；所述負極電解液中鋅鹽的摩爾濃度為0.1～5.0m...
【專利技術屬性】
技術研發人員：程豪，陸盈盈，鐘威，
申請(專利權)人：浙江大學杭州國際科創中心，
類型：發明
國別省市：
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