一种用于水系锌离子电池的稀土添加剂及其应用

本发明涉及水系锌离子电池，具体为一种水系锌离子电池电解液改性剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着电子科学技术的飞速发展，可再生能源的需求日益增长，这极大地推动了安全、稳定、低成本和环境友好的电化学储能系统的开发。水系锌离子电池具有高安全性能、低成本、水分解过电势高，理论比容量高等优点。此外，水系体系与有机体系相比具有高安全性、低成本、高离子电导率等显著有点。因而近年来受到科研工作者的广泛关注。

2、金属锌的储量丰富，来源广泛，可直接用作水系锌离子电池负极。其转化为锌离子涉及到两电子转移，可以使电池具有较高的容量。然而，锌负极在充放电循环过程中由于电子和离子分布不均匀会产生锌枝晶、死锌，副反应(析氢，腐蚀)等问题，导致库伦效率降低，最终致使电池寿命较差，阻碍水系锌离子电池的实际应用。因此，抑制锌枝晶生长、改善循环寿命是实现水系锌离子电池实际应用的先决条件之一。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对水系锌离子电池普遍存在的锌枝晶不可控生长、锌负极和水系电解液之间的不可逆副反应等问题，提供一种水系锌离子电池的稀土电解液添加剂及其应用。

2、具体地，本公开的发明方案如下所述：

3、在本公开的第一方面，本申请实施例提供了一种水系锌离子电池用的稀土添加剂，其特征在于，所述添加剂为含有稀土元素的金属盐，其通式可表示为mxny。

4、其中，m为稀土金属元素(cr、sm、er、yb)的阳离子，n为阴离子包括cl-，no3-和so42-，x和y分别是阴阳离子的配位数。

5、含有上述添加剂的水系锌离子电池电解液，由普通水系锌离子电池电解液和添加剂构成；所述添加剂可以为上述稀土盐的一种或多种；所述普通锌离子电池电解液的电解质可以是硫酸锌、醋酸锌或三氟甲磺酸锌中的一种或多种。

6、需要说明的是，本申请的关键在于在现有水系锌离子电池电解液的基础上添加少量的稀土金属盐。关于水系锌离子电池电解液中的锌盐，可以参考现有的常规水系锌离子电池电解液，高浓度的“盐包水”电解液不在考虑之内。本专利申请的水系锌离子电池电解液，通过添加少量稀土盐，即可达到抑制锌枝晶生长、提高锌负极循环稳定性的目的。

7、优选的方案，在所述的电解液中，锌盐的体积摩尔浓度为1mol/l～3mol/l。

8、优选的方案，所述稀土添加剂的浓度为0.1g～3g/l。

9、本发明还提供了上述稀土添加剂在锌基电池中的应用实例。所述锌基电池负极为金属锌，正极为磷酸铁锂、二氧化锰、锰酸锂和普鲁士蓝中的一种。

10、经测试，上述水系锌离子电池电解液可以有效提高锌负极的循环稳定性；基于测试数据，上述电解液可用在锌离子电池储能装置中。

11、本发明的优点和有益效果：

12、1.受益于我国丰富的稀土资源储量，本发明提供的添加剂价格低廉，并且添加剂中的稀土用量少、环境友好，有利于放大应用。

13、2.本发明在电解液中引入的稀土添加剂，其中的稀土离子的半径在90-103ppm，远远超过锌离子半径74ppm，容易填补生长中的锌晶粒的表面缺陷，从而使得晶粒细化，同时稀土金属离子可以自发吸附在枝晶活性位点，从而抑制枝晶生长。

14、3.本发明在电解液中引入的稀土添加剂，稀土离子的特性吸附使得氢离子在锌负极的析出电位提高，从而抑制析氢反应，在一定程度上可以防止电池在使用过程中的胀气，漏液等问题。

技术特征：

1.一种水系锌离子电池电解液添加剂，其特征在于采用稀土盐，其通式可表示为mxny。

2.根据权利要求1所述的水系锌离子电池电解液添加剂，其特征在于，所述添加剂为上述稀土金属盐的一种或几种。

3.一种水系锌离子电池电解液，其特征在于，所述电解液含有权利要求1所述的添加剂。

4.根据权利要求3所述的水系锌离子电池电解液，其特征在于，所述电解液中添加剂的浓度为0.1-3g/l。

5.根据权利要求3或4所述的水系锌离子电池电解液，其特征在于，所述电解液中的电解质为硫酸锌、醋酸锌或三氟甲磺酸锌中的一种或多种。

6.根据权利要求3-5任一项所述的水系锌离子电池电解液在水系锌离子电池或锌离子电化学储能装置中的应用。

技术总结
本发明公开了一种水系锌离子电池用稀土添加剂，属于锌电池电解液技术领域。所述稀土添加剂为稀土盐，其通式可表示为M<subgt;x</subgt;N<subgt;y</subgt;。其中，M为稀土金属元素(Cr、Sm、Er、Yb)阳离子，N为阴离子包括Cl<supgt;‑</supgt;，NO<subgt;3</subgt;<supgt;‑</supgt;和SO<subgt;4</subgt;<supgt;2‑</supgt;，x和y分别是阴阳离子的配位数。所述添加剂为上述稀土金属盐的一种或多种。添加剂用量为0.1‑3g/L。稀土金属离子可以自发吸附在枝晶活性位点，抑制枝晶生长，显著提高了水系锌离子电池的循环寿命。本发明所述的稀土添加剂具有成本低廉、绿色环保等优点，且电解液配方和制备工艺简单，在水系锌离子电池领域具有十分广阔的应用前景。

技术研发人员：陈人杰,胡正强,张凤玲,李丽,吴锋
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15