一种快离子传导的锌离子电池胶体电解质的制备及应用

本发明涉及一种水系锌离子电池电解质，特别是一种快离子传导的锌离子电池胶体电解质的制备及应用。所述的胶体电解质在能打破水分子之间氢键网络、抑制活性水所衍生的寄生反应之外，还能快速传导锌离子、均化离子通量、减缓枝晶的生长、延长使用寿命，属于无机材料制备和新能源材料。

背景技术：

1、随着石油等不可再生能源的过度消耗，合理开发利用太阳能、风能等可再生能源愈发重要。但各种可再生能源受地域和环境等因素限制，存在着严重的随机性和间歇性。因此，实现能源的优化管理和大规模存储显得至关重要。二次电池普遍被认为是实现大规模储能技术的有力载体，但目前占据商业主流的锂离子电池因其低安全性和高成本问题，在大规模储能领域具有较大的局限性。相反，水系电池因其具有低成本、高安全性、环境友好和长循环寿命等优点，被视为最具潜力的大规模储能技术之一。然而目前市面上商业化的水系电池，比如镍氢电池、铅酸电池，受制于能量密度较低和循环寿命较短等缺点，无法满足大规模储能技术的应用需求。因此，开发低成本、高安全性、高能量密度和长循环寿命的水系电池迫在眉睫。

2、水系锌离子电池(zibs)因其具有环境友好、高理论容量、低氧化还原电位和高储量等优点，近年来广受关注。目前，水系zibs仍存在电解液易泄漏、锌枝晶生长和电极被腐蚀等问题亟需解决。开发适用于zibs的固态电解质是改善上述问题的一个重要技术路径。

3、在已报道的固态电解质中，基于天然聚合物的水凝胶吸引了很多研究人员的关注。天然聚合物大多具有高安全性、高生物兼容性，并且储量丰富，成本低廉。基于天然聚合物的水凝胶固态电解质，如瓜尔胶(guar gum)、黄原胶(xanthan gum)和卡拉胶(carrageenan)，已在znso4基电解液的水系zibs中被报道。

4、然而，现有的天然聚合物水凝胶电解质大都面临着离子迁移数和离子电导率降低的问题。低离子迁移数所导致的不均匀离子通量也会加速枝晶的生长，对电池的使用寿命带来极大的考验。

技术实现思路

0、
技术实现要素：
(实验内容)

1、鉴于现有技术中存在的问题，我们提出了一种快离子传导的水系锌离子电池胶体电解质的制备及应用来实现安全、无漏液、长效的水系锌电池。

2、具体而言，我们将氮化硼(bn)纳米粒子作为添加剂引入到胶体电解质中。一方面，bn纳米粒子具有优异的化学稳定性和电子绝缘性，能提高胶体电解质的稳定性；另一方面，其在胶体电解质中的均匀分布可以调制离子迁移行为，其中的亲锌位(n原子)可以调控离子传输过程中的离子通量和动力学过程，从而促使均匀、快速的离子传导，从而抑制锌枝晶的形成。得益于此，基于快离子传导的水系锌离子电池胶体电解质的锌锌对称电池表现出了更好的循环性能。

3、为达到上述目的，本发明采用的技术路线如下：

4、一种快离子传导的水系锌离子电池胶体电解质的制备及应用，所述方法步骤如下：

5、取质量分数2.5％(2.5wt％)的黄原胶和不同质量比例的bn纳米粉末加入到一定浓度的锌盐电解液中，磁力搅拌一天，使其成为均匀胶体电解质后便可使用。

6、所述锌盐包括：硫酸锌(znso4)，氯化锌(zncl2)，三氟甲烷磺酸锌(zn(cf3so3)2)等。

7、所述电解液浓度为0.5m-4m。

8、本发明的操作方法具有如下优点及有益效果：

9、(1)本发明提供了一种快离子传导的锌离子电池胶体电解质的制备方法。通过黄原胶和 bn纳米粒子的引入，可以简单、大规模完成该改性电解质的制备，有利于工业化拓展。

10、(2)黄原胶的引入能形成稳定的胶体电解质，bn纳米粒子所具有的优异化学稳定性和电子绝缘性，能进一步提高胶体电解质的稳定性；

11、(3)均匀分散在胶体中的bn纳米粒子可以调制离子迁移行为，其中的亲锌位点(n原子)可以调控离子传输过程中的离子通量和动力学过程，促进致密锌的沉积，提高锌电极的循环寿命。

12、(4)本发明制备的快离子传导的水系锌离子电池胶体电解质与锌电极表现出良好的界面相容性，循环稳定性和安全可靠性，为水系锌离子电池的应用提供了一种新的可行途径。

技术特征：

1.一种快离子传导的锌离子电池胶体电解质的制备及应用，提高水系锌离子电池安全性和循环稳定性，其特征在于：取不同质量比例的氮化硼(bn)纳米粒子加入到一定浓度的锌盐基胶体电解液中，磁力搅拌一天，使其混合均匀后便可使用。

2.根据权利要求1所述的一种快离子传导的锌离子电池胶体电解质的制备及应用，其特征在于：锌盐基胶体电解质中的胶体包括但不限于聚乙烯醇、海藻酸钠、瓜尔胶、黄原胶、卡拉胶、罗望子胶、槐豆胶等。

3.根据权利要求1所述的一种快离子传导的锌离子电池胶体电解质的制备及应用，其特征在于：bn纳米粉末的质量占电解质质量的0.5％-5％。

4.根据权利要求1所述的一种快离子传导的锌离子电池胶体电解质的制备及应用，其特征在于：其所述锌盐包括硫酸锌(znso4)，氯化锌(zncl2)和三氟甲烷磺酸锌(zn(cf3so3)2)，浓度在0.5-4m。

技术总结
本发明是一种快离子传导的锌离子电池胶体电解质的制备及应用，通过将具有优异化学稳定性和电子绝缘性的BN纳米粒子引入到水系锌离子电池胶体电解质中，能进一步提高胶体电解质的稳定性。此外，均匀分散在胶体中的BN纳米粒子可以调制离子迁移行为，其中的亲锌位点(N原子)可以调控离子传输过程中的离子通量和动力学过程，促进致密锌的沉积，提高锌电极的循环寿命。二者协同，实现了锌锌对称电池基于快离子传导的水系锌离子电池胶体电解质的长效循环，为水系锌离子电池的应用提供了一种新的可行途径。

技术研发人员：陈人杰,王辉荣,黄永鑫,周安彬,胡昕
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：2024/2/21