一种提升水系锌离子电池稳定性的复合改性电解液及其制备方法

1.本发明属于化学电源技术领域，具体涉及一种提升水系锌离子电池稳定性的复合改性电解液及其制备方法。


背景技术：

2.经济的快速发展和环境的严重恶化，对清洁和可再生能源的需求不断增加。在这方面，必须开发和利用可持续和替代能源，例如风能、太阳能、地热能和潮汐能。然而，上述能源由于存在间歇性大、波动性强等问题，也对能源储存系统提出了更高的要求。能源储存系统包括电容器和电池。目前，在电池中得到最广泛应用的是锂离子电池。但是锂离子电池有面临两个重大的障碍：锂、钴等金属资源有限和存在有机电解质自燃的风险。因此，目前正在努力设计具有多价载流子(如mg
2+
和zn
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)的新一代电池。新一代电池不仅资源丰富，成本低廉，而且采用的是水系电解质，安全性高。水系锌离子电池又被认为是其中最有潜力的选择。然而，现阶段水系锌离子电池的循环寿命十分有限，并不足以支撑其投入商业化使用。
3.因此，寻找一种合适的电解液添加剂，对提高水系锌离子电池的循环寿命具有重要的意义。


技术实现要素：

4.为了克服水系锌离子电池循环寿命较短的问题，本发明提供了一种提升水系锌离子电池稳定性的复合改性电解液及其制备方法，本发明能够抑制电极和电解液的副反应，提高水系锌离子电池的循环寿命。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种提升水系锌离子电池稳定性的复合改性电解液的制备方法，包括以下步骤：
7.步骤一：向尿素中加入去离子水，超声分散后得到尿素溶液；
8.步骤二：取醋酸锂加入步骤一所得的尿素溶液中，超声分散后得到混合溶液；
9.步骤三：取三氟甲磺酸锌加入步骤二所得的混合溶液中，然后在室温下搅拌后静置，得到提升水系锌离子电池稳定性的复合改性电解液。
10.进一步地，步骤一中每20～100mg尿素中加入1ml去离子水。
11.进一步地，步骤一中超声分散时间为5～10分钟，超声功率为250w。
12.进一步地，步骤二中醋酸锂的质量与步骤一中尿素的质量之比为(1～5)：(2～10)。
13.进一步地，步骤二中超声分散时间为5～10分钟，超声功率为250w。
14.进一步地，步骤三中三氟甲磺酸锌的质量与步骤二中醋酸锂的质量之比为(80-150)：(1～5)。
15.进一步地，步骤三中搅拌时间为4～8小时，搅拌速度为500r/m。
16.进一步地，步骤三中静置时间为1～4小时。
17.一种提升水系锌离子电池稳定性的复合改性电解液的制备方法，包括以下步骤：
18.步骤一：称取50mg尿素，加入1ml去离子水，超声分散7分钟，超声功率为250w，得到尿素溶液；
19.步骤二：称取25mg醋酸锂放入步骤一所得的尿素溶液中，超声分散7分钟，所述超声功率为250w，得到混合溶液；
20.第三步：称取1000mg三氟甲磺酸锌放入步骤二所得的混合溶液中，然后在室温下搅拌5小时，最后静置2小时；搅拌速度为500r/m；得到的溶液即为提升水系锌离子电池稳定性的复合改性电解液。
21.一种提升水系锌离子电池稳定性的复合改性电解液，采用上述的制备方法制得。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
23.本发明使用的尿素由于具有酰胺基团，可以改善锌离子的溶剂鞘结构，从而减少电池循环中副反应的发生，并且促进锌以(002)晶面进行沉积，减少枝晶的产生；此外，由于水分子同锂离子和尿素分子的结合力较强，并且一个锂离子可以同三到四个尿素分子中的羰基成键，所以起到了限制自由水分子的作用，进一步阻碍了锌负极表面发生腐蚀等副反应，防止了过多的活性锌离子被副反应所消耗，保证了水系锌离子电池在长时间的充放电过程中不会发生剧烈的容量衰减。因此本发明制备出的水系锌离子电池复合改性电解液可以促进锌离子均匀沉积，缓解枝晶问题，极大地延长了水系锌离子对称电池的循环寿命；还可以抑制腐蚀等副反应，有效提高水系锌离子全电池的倍率性能以及循环稳定性。
附图说明
24.以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。
25.图1是实施例2组装的水系锌离子对称电池的循环性能图；
26.图2是实施例2组装的水系锌离子全电池的倍率性能图；
27.图3是实施例2组装的水系锌离子全电池的循环性能图。
具体实施方式
28.下面对本发明做进一步详细描述：
29.一种提升水系锌离子电池稳定性的复合改性电解液的制备方法，包括以下步骤：
30.第一步：称取20～100mg尿素放入烧杯，加入1ml去离子水，超声分散5～10分钟，所述超声功率为250w；
31.第二步：称取10～50mg醋酸锂放入步骤一所得的尿素溶液中，超声分散5～10分钟，所述超声功率为250w；
32.第三步：称取800～1500mg三氟甲磺酸锌放入步骤二所得的混合溶液中，然后在室温下搅拌4～8小时，最后静置1～4小时；搅拌速度为500r/m；得到的溶液即为提升水系锌离子电池稳定性的复合改性电解液。
33.将两片直径16mm，厚度0.1mm的锌箔分别作为电池的正负极，以直径16mm的玻璃纤维为隔膜，组装成水系锌离子对称电池。其中，所用电解液为第三步所得的复合改性电解液。
34.将直径16mm，厚度0.1mm的锌箔分别作为电池的负极，将涂覆有磷酸铁锂浆料的不锈钢箔作为正极，以直径16mm的玻璃纤维为隔膜，组装成水系锌离子全电池。其中，所用电解液为第三步所得的复合改性电解液。
35.下面结合实施例和附图对本发明进行详细描述，方便本领域的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所有实施例范围之内。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。
36.实施例1
37.第一步：称取20mg尿素放入烧杯，加入1ml去离子水，超声分散5分钟，所述超声功率为250w；
38.第二步：称取10mg醋酸锂放入步骤一所得的尿素溶液中，超声分散5分钟，所述超声功率为250w；
39.第三步：称取800mg三氟甲磺酸锌放入步骤二所得的混合溶液中，然后在室温下搅拌4小时，最后静置1小时；搅拌速度为500r/m；得到的溶液即为提升水系锌离子电池稳定性的复合改性电解液。
40.将两片直径16mm，厚度0.1mm的锌箔分别作为电池的正负极，以直径16mm的玻璃纤维为隔膜，组装成水系锌离子对称电池。其中，其中，所用电解液为第三步所得的复合改性电解液。
41.将直径16mm，厚度0.1mm的锌箔分别作为电池的负极，将涂覆有磷酸铁锂浆料的不锈钢箔作为正极，以直径16mm的玻璃纤维为隔膜，组装成水系锌离子全电池。其中，所用电解液为第三步所得的复合改性电解液。
42.实施例2
43.第一步：称取50mg尿素放入烧杯，加入1ml去离子水，超声分散7分钟，所述超声功率为250w；
44.第二步：称取25mg醋酸锂放入步骤一所得的尿素溶液中，超声分散7分钟，所述超声功率为250w；
45.第三步：称取1000mg三氟甲磺酸锌放入步骤二所得的混合溶液中，然后在室温下搅拌5小时，最后静置2小时；搅拌速度为500r/m；得到的溶液即为提升水系锌离子电池稳定性的复合改性电解液。
46.将两片直径16mm，厚度0.1mm的锌箔分别作为电池的正负极，以直径16mm的玻璃纤维为隔膜，组装成水系锌离子对称电池。其中，所用电解液为第三步所得的复合改性电解液。
47.将直径16mm，厚度0.1mm的锌箔分别作为电池的负极，将涂覆有磷酸铁锂浆料的不锈钢箔作为正极，以直径16mm的玻璃纤维为隔膜，组装成水系锌离子全电池。其中，所用电解液为第三步所得的复合改性电解液。
48.将实施例2所得的复合改性电解液与传统无添加电解液分别组装成水系锌离子对称电池，进行循环时长对比测试，所得结果如图1所示。可以看到使用复合改性电解液的对称电池在循环440小时后电压波形依旧保持稳定，而使用传统无添加电解液的对称电池循环20小时后，电压波形便开始发生失稳，原因是内部发生了枝晶造成的电池短路事故。
49.将实施例2所得的复合改性电解液与传统无添加电解液分别组装成水系锌离子全
电池，进行倍率性能对比测试，所得结果如图2所示。可以看到使用复合改性电解液的水系锌离子全电池，在所有电流密度下都具有更高的比容量，证明了其更优异的倍率性能。
50.将实施例2所得的复合改性电解液与传统无添加电解液分别组装成水系锌离子全电池，进行循环性能对比测试，所得结果如图3所示。可以看到使用复合改性电解液的水系锌离子全电池，在0.2c电流密度下都具有更高的比容量，并且随着循环时长的增长，复合改性电解液组装比容量保持得更好，衰减程度更小，表明其具有更好的循环稳定性。
51.实施例3
52.第一步：称取80mg尿素放入烧杯，加入1ml去离子水，超声分散9分钟，所述超声功率为250w；
53.第二步：称取30mg醋酸锂放入步骤一所得的尿素溶液中，超声分散9分钟，所述超声功率为250w；
54.第三步：称取1200mg三氟甲磺酸锌放入步骤二所得的混合溶液中，然后在室温下搅拌6小时，最后静置4小时；搅拌速度为500r/m；得到的溶液即为提升水系锌离子电池稳定性的复合改性电解液。
55.实施例4
56.第一步：称取90mg尿素放入烧杯，加入1ml去离子水，超声分散10分钟，所述超声功率为250w；
57.第二步：称取50mg醋酸锂放入步骤一所得的尿素溶液中，超声分散10分钟，所述超声功率为250w；
58.第三步：称取1400mg三氟甲磺酸锌放入步骤二所得的混合溶液中，然后在室温下搅拌6小时，最后静置4小时；搅拌速度为500r/m；得到的溶液即为提升水系锌离子电池稳定性的复合改性电解液。
59.将两片直径16mm，厚度0.1mm的锌箔分别作为电池的正负极，以直径16mm的玻璃纤维为隔膜，组装成水系锌离子对称电池。其中，所用电解液为第三步所得的复合改性电解液。
60.将直径16mm，厚度0.1mm的锌箔分别作为电池的负极，将涂覆有磷酸铁锂浆料的不锈钢箔作为正极，以直径16mm的玻璃纤维为隔膜，组装成水系锌离子全电池。其中，所用电解液为第三步所得的复合改性电解液。
61.实施例5
62.第一步：称取100mg尿素放入烧杯，加入1ml去离子水，超声分散10分钟，所述超声功率为250w；
63.第二步：称取50mg醋酸锂放入步骤一所得的尿素溶液中，超声分散10分钟，所述超声功率为250w；
64.第三步：称取1500mg三氟甲磺酸锌放入步骤二所得的混合溶液中，然后在室温下搅拌8小时，最后静置4小时；搅拌速度为500r/m；得到的溶液即为提升水系锌离子电池稳定性的复合改性电解液。
65.将两片直径16mm，厚度0.1mm的锌箔分别作为电池的正负极，以直径16mm的玻璃纤维为隔膜，组装成水系锌离子对称电池。其中，所用电解液为第三步所得的复合改性电解液。
66.将直径16mm，厚度0.1mm的锌箔分别作为电池的负极，将涂覆有磷酸铁锂浆料的不锈钢箔作为正极，以直径16mm的玻璃纤维为隔膜，组装成水系锌离子全电池。其中，所用电解液为第三步所得的复合改性电解液。
67.本发明所制备的水系锌离子电池复合改性电解液与传统电解液相比，具有制备步骤简单、所需设备少、耗时短，循环性能和倍率性能优异的优势。