一种可充锌离子电池用本征安全高效电解液及其制备和应用

本发明属于电解液，涉及一种可充锌离子电池用本征安全高效电解液及其制备。

背景技术：

1、可充锌离子电池采用金属锌为负极，具有高比容量(820mah g-1)、低电化学电位(与标准氢电极相比-0.762v)、低成本、资源丰富、环境友好等优点，是下一代电池的发展方向。

2、可充锌离子电池通常使用的水系电解液表现出热不稳定性，会发生不可避免的析氢反应，从而在负极表面形成钝化层，恶化锌离子电池电化学性能。近期，大量有机溶剂被报道并应用于可充锌离子电池电解液，可以有效消除不利的析氢反应。然而，锌枝晶生长等问题仍然存在，并且报导的有机溶剂通常为易挥发可燃性溶剂，存在极大的安全隐患。本课题组在近期报道了基于磷酸酯助燃剂的有机电解液(adv.mater.2019,31,1900668；angew.chem.int.ed.2019,58,2760)，可以实现高安全的锌金属稳定循环，但是在大电流条件下，仍存在界面副反应等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种可充锌离子电池用本征安全高效电解液及其制备和应用，以改善锌负极界面，实现大电流条件下的高效率稳定循环等。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的技术方案之一提供了一种可充锌离子电池用本征安全高效电解液，包含锌盐和有机溶剂，其中，所述有机溶剂为由高沸点不燃烧的含氮溶剂和高安全不燃烧的离子液体组成的混合溶剂。

4、进一步的，所述高沸点不燃烧的含氮溶剂选自n,n-二甲基丙烯基脲、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、1-甲基-2-咪唑啉酮、2-咪唑烷酮中的一种或多种的组合。

5、进一步的，所述高安全不燃烧的离子液体选自3-n-十二烷基-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐(c12vim-pf6)，或其他常规咪唑类离子液体(1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑高氯酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑双氟磺酰亚胺盐等)中的至少一种。

6、进一步的，所述高安全不燃烧的离子液体为功能化离子液体c12vim-pf6。

7、进一步的，高沸点不燃烧的含氮溶剂和高安全不燃烧的离子液体的体积比为1：0.05～20。

8、更进一步的，高沸点不燃烧的含氮溶剂和高安全不燃烧的离子液体的体积比为1：0.1～1，更优选的，含氮溶剂与离子液体的体积比为9:1。过低的离子液体含量无法有效优化锌负极界面；过高的离子液体含量会增加电解液粘度。

9、进一步的，所述的锌盐选自氯化锌(zncl2)、硝酸锌(zn(no3)2)、硫酸锌(znso4)、六氟磷酸锌(zn(pf6)2)、四氟硼酸锌(zn(bf4)2)、高氯酸锌(zn(clo4)2)、三氟甲基磺酸锌(zn(cf3so3)2)、双三氟甲基磺酸亚酰胺锌(zn(tfsi)2)、双氟磺酰亚胺锌盐(zn(fsi)2)中的一种或几种。

10、进一步的，所述锌盐的添加量满足：其在电解液中的浓度为0.05-2mol·l-1。

11、本发明的技术方案之二提供了一种可充锌离子电池用本征安全高效电解液的制备方法，往有机溶剂中加入锌盐，完全溶解后，即得到目标产物可充锌离子电池用本征安全高效电解液。

12、本发明的技术方案之三提供了一种可充锌离子电池用本征安全高效电解液的应用，该电解液用于可充锌离子电池中。

13、本发明使用的高沸点的含氮溶剂和的离子液体均表现为不可燃性，很大程度上改善了电池的安全性能。同时，n,n-二甲基丙烯基脲等溶剂作为锌盐的良溶剂，实现快速的锌离子传输。功能化的离子液体吸附在锌表面，调节锌金属负极尖端附近的局部电流分布，从而实现更高电流密度下的锌均匀沉积。并且，离子液体中引入的乙烯基部分和亲锌位点(zn-n、zn-f)，可以有效改善锌负极界面，抑制界面副反应。制备的本征安全电解液可以在大电流(5ma cm-2)条件下实现无枝晶稳定长循环，以及超高的锌沉积溶出效率(99.44％)。

14、与现有技术相比，本发明的电解液使得可充锌离子电池安全性能和锌负极稳定性得到显著提高，尤其是在大电流下可以实现无枝晶稳定长循环，以及超高的锌沉积溶出效率。

技术特征：

1.一种可充锌离子电池用本征安全高效电解液，其特征在于，包含锌盐和有机溶剂，其中，所述有机溶剂为由高沸点不燃烧的含氮溶剂和高安全不燃烧的离子液体组成的混合溶剂。

2.根据权利要求1所述的一种可充锌离子电池用本征安全高效电解液，其特征在于，所述高沸点不燃烧的含氮溶剂选自n,n-二甲基丙烯基脲、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、1-甲基-2-咪唑啉酮、2-咪唑烷酮中的一种或多种的组合。

3.根据权利要求1所述的一种可充锌离子电池用本征安全高效电解液，其特征在于，所述高安全不燃烧的离子液体选自3-n-十二烷基-1-乙烯基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑高氯酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑双氟磺酰亚胺盐中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种可充锌离子电池用本征安全高效电解液，其特征在于，所述高安全不燃烧的离子液体为功能化离子液体c12vim-pf6。

5.根据权利要求1所述的一种可充锌离子电池用本征安全高效电解液，其特征在于，高沸点不燃烧的含氮溶剂和高安全不燃烧的离子液体的体积比为1：0.05～20。

6.根据权利要求5所述的一种可充锌离子电池用本征安全高效电解液，其特征在于，高沸点不燃烧的含氮溶剂和高安全不燃烧的离子液体的体积比为1：0.1～1。

7.根据权利要求1所述的一种可充锌离子电池用本征安全高效电解液，其特征在于，所述的锌盐选自氯化锌、硝酸锌、硫酸锌、六氟磷酸锌、四氟硼酸锌、高氯酸锌、三氟甲基磺酸锌、双三氟甲基磺酸亚酰胺锌、双氟磺酰亚胺锌盐中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的一种可充锌离子电池用本征安全高效电解液，其特征在于，所述锌盐的添加量满足：其在电解液中的浓度为0.05-2mol·l-1。

9.如权利要求1-8任一所述的可充锌离子电池用本征安全高效电解液的制备方法，其特征在于，往有机溶剂中加入锌盐，完全溶解后，即得到目标产物可充锌离子电池用本征安全高效电解液。

10.如权利要求1-8任一所述的可充锌离子电池用本征安全高效电解液的应用，其特征在于，该电解液用于可充锌离子电池中。

技术总结
本发明涉及一种可充锌离子电池用本征安全高效电解液及其制备和应用，该电解液包含锌盐和有机溶剂，有机溶剂选择高沸点不燃烧的含氮溶剂和高安全不燃烧的离子液体组成的混合溶剂。与现有技术相比，本发明具有不可燃性，显著改善了电池的安全性能。此外，引入的离子液体可以吸附在锌表面，调节锌金属负极尖端附近的局部电流分布，从而实现更高电流密度下的锌均匀沉积。制备的本征安全电解液可以在大电流条件下实现无枝晶稳定长循环，以及超高的锌沉积溶出效率，相比其他有机电解液体系和水系电解液体系更有优势。

技术研发人员：王久林,法瓦 伊利亚斯,陈加航,张阳
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12