金属枝晶抑制添加剂的用途、含该添加剂的电解液及电池的制作方法

本发明属于新能源技术领域，涉及到一种金属枝晶抑制添加剂及其用途。

背景技术：

随着能源危机和环境问题的不断加剧，发展新型绿色可再生能源刻不容缓，而太阳能、风能等新能源不稳定，不能直接并入电网，因此，大规模储能技术成为了国内外研究的热点。金属基电池就是其中一种。

目前广泛应用的锂离子电池以石墨作为负极，通过锂离子在石墨中的嵌入和脱出实现电池的充放电，但是石墨能提供的离子嵌入位点有限，限制了其能量密度。金属基电池包括以使用锂、钠、镁、铝、锌、铁等金属材料作为负极的电池，通过金属原子的氧化与还原实现电池的充放电。与锂离子电池相比，金属基电池具有更高的能量密度。

在充放电过程中，金属负极不断重复溶解和沉积，由于金属表面不同部位的反应活性不一样，金属在电极表面的沉积是不均匀的，容易形成枝晶，一方面，枝晶的生长最终刺穿隔膜，导致电池短路；另一方面，枝晶容易断裂，从电极上掉落，导致不可逆的容量损失。枝晶问题成为金属基电池最严重的问题之一。

技术实现要素：

本发明的目的是解决金属基电池易形成枝晶的问题，设计一种添加剂，在充电时，该添加剂能特异性地吸附在金属电极表面的小突起上，起到抑制枝晶长大的作用。

为了达到上述目的，本发明提供了一种枝晶抑制添加剂的用途，用于金属基电池的电解液的添加剂，添加剂包含：分子结构中具有亲电基团或在电解液中能解离出有机阳离子的化合物。

较佳地，所述亲电基团包括但不限于：羰基、羟基、羧基、硝基、氨基、亚氨基、氰基等。

较佳地，所述有机阳离子包括但不限于：季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐离子等。

较佳地，所述添加剂包括但不限于：异丙醇、正丁醛、2-硝基丙烷、三乙醇胺、四丙基溴化铵、四丁基溴化铵、聚二烯丙基二甲基氯化铵、三苯基乙基溴化鏻、四苯基溴化鏻、1-丁基-3-甲基四氟硼酸咪唑盐和3,3-二甲基吡咯盐酸盐等。

本发明还提供了一种金属基电池的电解液，其包含上述的添加剂。

本发明还提供了一种金属基电池，包含正极、负极、隔膜，以及上述的电解液。

较佳地，所述的负极为金属负极，该金属负极的材料选择包括但不限于锂、钠、镁、铝、锌、铁。

较佳地，该电池充电时，所述的添加剂能特异性地吸附在金属负极表面小突起上，抑制枝晶长大。

在电池充电过程中，由于金属电极表面不是完全均匀的，不同部分的反应活性不同，金属原子会优先沉积在活性高的部位，在电极表面形成小突起，这些小突起表面的电场强度更强，使得电极表面电场和离子流分布不均，金属原子更容易沿着这些小突起沉积，这就是枝晶的生长过程。

因为电极上的小突起表面电场强度更强，添加剂中的亲电基团或溶于电解液中后解离出来的有机阳离子在小突起表面受到的静电作用更强，会在静电力的作用下吸附在这些小突起表面，阻碍金属离子沉积在这些小突起上，从而抑制枝晶的长大，延长电池寿命，提高电池库伦效率。

本发明的技术效果：由于添加剂能特异性地吸附在金属电极上抑制枝晶，包含本发明的金属枝晶抑制添加剂的金属基电池，能有效抑制枝晶的长大，循环性能及电池库伦效率均大幅提高，电池寿命延长。

附图说明

图1为实施例1的锌负极循环100小时后的电子显微镜图像。

图2为实施例2的电池循环性能图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

使用锌片作为负极，活性炭作为正极，玻璃纤维作为隔膜，在0.2mol/l溴化锌电解液中加入0.1mol/l四丁基溴化铵添加剂，装配电池。充放电电流密度为5ma/cm²，充放电电压范围为0.5～1.9v，循环100小时后的锌负极的表面形貌如图1所示，仍然十分平整，无枝晶生长。

实施例2

使用锌片作为负极，铜片作为正极，玻璃纤维作为隔膜，在0.5mol/l溴化锌电解液中加入0.2mol/l四丙基溴化铵添加剂，装配电池。充放电电流密度为5ma/cm²，充放电容量为2mah/cm²，电池循环性能如图2所示，可稳定循环1500次以上，库伦效率约100％。

综上所述，本发明发现了一类化合物作为金属枝晶抑制添加剂的新用途，包含本发明的金属枝晶抑制添加剂的金属基电池，在电池充电过程中，添加剂中的亲电基团或溶于电解液中后解离出来的有机阳离子会在静电力的作用下吸附在金属负极表面的小突起上，阻碍金属离子沉积在这些小突起上，从而抑制枝晶的长大，延长电池寿命，提高电池库伦效率。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。