一种有机/水杂化电解质的制备方法、电池及应用

本申请涉及电池，特别涉及一种有机/水杂化电解质的制备方法、电池及应用。

背景技术：

1、为了减少碳排放，开发可持续的可充电电池来存储可再生能源迫在眉睫。水系可充电电池，如锌基电池，使用锌金属阳极和水系电解质，由于其固有的高安全性，快速充/放电能力，环保，广泛的材料可用性和低成本等优点，同时，锌金属阳极具有高的质量理论比容量(820mah g-1)和体积理论比容量(5855mah cm-3)，锌金属低的氧化还原电位(-0.76vvs.she)以及水系电解液独特的高离子电导率(>10ms cm-1)，是满足大规模储能需求最具潜力的候选者之一。然而，可充电的水系锌基电池尚未商业化，很大程度上是因为与锌金属阳极相关的问题，包括界面稳定性差，锌枝晶生长，腐蚀，钝化，库伦效率低，造成锌金属阳极利用率低和电池循环可逆性差。

2、有机/水杂化电解质，因其在确保纯水系电解质高离子电导率、低成本、环保等优点的前提下，完美地缓解了水基电解液在还原过程中造成的析氢副反应和锌阳极界面稳定性差的问题，而引起研究者的广泛关注。一方面，在水系电解液中引入含氢键受体和孤对电子的有机溶剂，即氢键捕获剂，不仅能打破水分子氢键网络的形成而抑制析氢反应，还能保持氢键网络中部分自由水的存在，以确保电解质高的离子电导率。另一方面，通过改变水系电解液中zn[h2o]62+的溶剂化结构，使有机溶剂取代部分水zn[[h2o]n[有机溶剂]m]2+而挤入zn2+的溶剂化壳层中，降低水的活性，参与电极表面固态电解质层的形成。

3、目前报道的有机/水杂化电解质具有离子电导率高、价格低廉和可规模化生产等优点，但是这些电解质体系通常很难支撑锌负极的循环寿命(在1ma cm-2的小电流密度和1mah cm-2沉积容量下仅能循环～1000h)，阻碍了可充电水系锌电池长寿命的应用。另外，一般有机/水杂化电解质体系不能较好地抑制锌枝晶的生长，钝化以及析氢副反应，不利于电池在大电流密度和沉积容量下的稳定循环。

技术实现思路

1、鉴于此，有必要针对现有技术中存在的缺陷提供一种具有浓度低、离子电导率高、富含氢键捕获位点的有机/水杂化电解质的制备方法、电池及应用。

2、为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：

3、本申请目的之一，提供了一种有机/水杂化电解质的制备方法，包括下述步骤：

4、将氢键捕获剂、锌盐及水的混合溶液，升温至25℃～60℃下搅拌1～4天，得到均匀的不同锌离子摩尔浓度的含氢键捕获剂有机/水杂化电解液。

5、在其中一些实施例中，所述的氢键捕获剂为酰胺类溶剂或砜类溶剂中的至少一种。

6、在其中一些实施例中，所述的酰胺类溶剂为n,n-二甲基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺、n-甲基甲酰胺、2,2,2-三氟-n,n-二甲基乙酰胺、n,n,2-三甲基丙酰胺、丙酰胺中的至少一种。

7、在其中一些实施例中，所述的砜类溶剂为二甲基砜、二甲基亚砜、二乙基亚砜、苯乙砜、环丁砜、双酚s中的至少一种。

8、在其中一些实施例中，所述的氢键捕获剂和水的摩尔比为0.05～4:1。

9、在其中一些实施例中，所述的锌盐为硫酸锌、氯化锌、三氟甲磺酸锌、高氯酸锌、六氟硅酸锌或双三氟甲磺酰亚胺锌。

10、在其中一些实施例中，所述的锌盐的摩尔浓度为0.5mol l-1～3mol l-1。

11、本申请目的之二，提供了一种有机/水杂化电解质，所述的有机/水杂化电解质的制备方法制备得到。

12、本申请目的之三，提供了一种电池，包括所述的有机/水杂化电解质。

13、在其中一些实施例中，还包括阳极，所述阳极为锌金属或者含锌化合物。

14、在其中一些实施例中，还包括阴极，所述阴极包括二氧化锰或硫化钴镍或五氧化二钒或钒酸铵。

15、在其中一些实施例中，还包括隔膜，所述隔膜包括pp隔膜或纤维素隔膜或玻璃纤维隔膜。

16、本申请目的之四，提供了一种所述的有机/水杂化电解质在锌离子电池中的应用。

17、本申请采用上述技术方案，其有益效果如下：

18、本申请提供的有机/水杂化电解质的制备方法、电池及应用，将氢键捕获剂、锌盐及水的混合溶液，升温至25℃～60℃下搅拌1～4天，得到均匀的不同锌离子摩尔浓度的含氢键捕获剂有机/水杂化电解液，本申请通过筛选氢键捕获剂和调节氢键捕获剂的含量，来抑制水系锌基电池因副反应引起的析氢现象，同时，通过调整使得氢键捕获剂挤入水系电解液中zn2+的溶剂化结构，从而使其参与电极表面固态电解质层的形成，有效提高水系锌基电池在大电流密度和沉积容量下的循环稳定性。另外，该电解液体系制备步骤简单、条件温和、成本低、重复性强，可用于大规模生产，可用于制备锌基电池。

技术特征：

1.一种有机/水杂化电解质的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

2.如权利要求1所述的有机/水杂化电解质的制备方法，其特征在于，所述的氢键捕获剂为酰胺类溶剂或砜类溶剂中的至少一种。

3.如权利要求2所述的有机/水杂化电解质的制备方法，其特征在于，所述的酰胺类溶剂为n,n-二甲基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺、n-甲基甲酰胺、2,2,2-三氟-n,n-二甲基乙酰胺、n,n,2-三甲基丙酰胺、丙酰胺中的至少一种。

4.如权利要求2所述的有机/水杂化电解质的制备方法，其特征在于，所述的砜类溶剂为二甲基砜、二甲基亚砜、二乙基亚砜、苯乙砜、环丁砜、双酚s中的至少一种。

5.如权利要求1所述的有机/水杂化电解质的制备方法，其特征在于，所述的氢键捕获剂和水的摩尔比为0.05～4:1。

6.如权利要求1所述的有机/水杂化电解质的制备方法，其特征在于，所述的锌盐为硫酸锌、氯化锌、三氟甲磺酸锌、高氯酸锌、六氟硅酸锌或双三氟甲磺酰亚胺锌。

7.如权利要求1或6所述的有机/水杂化电解质的制备方法，其特征在于，所述的锌盐的摩尔浓度为0.5mol l-1～3mol l-1。

8.一种有机/水杂化电解质，其特征在于，由权利要求1至7任一项所述的有机/水杂化电解质的制备方法制备得到。

9.一种电池，其特征在于，包括权利要求8所述的有机/水杂化电解质。

10.如权利要求9所述的电池，其特征在于，还包括阳极，所述阳极为锌金属或者含锌化合物。

11.如权利要求9所述的电池，其特征在于，还包括阴极，所述阴极包括二氧化锰或硫化钴镍或五氧化二钒或钒酸铵。

12.如权利要求9所述的电池，其特征在于，还包括隔膜，所述隔膜包括pp隔膜或纤维素隔膜或玻璃纤维隔膜。

13.一种如权利要求1所述的有机/水杂化电解质在锌离子电池中的应用。

技术总结
本申请提供的有机/水杂化电解质的制备方法、电池及应用，将氢键捕获剂、锌盐及水的混合溶液，升温至25℃～60℃下搅拌1～4天，得到均匀的不同锌离子摩尔浓度的含氢键捕获剂有机/水杂化电解液，本申请通过筛选氢键捕获剂和调节氢键捕获剂的含量，来抑制水系锌基电池因副反应引起的析氢现象，同时，通过调整使得氢键捕获剂挤入水系电解液中Zn<supgt;2+</supgt;的溶剂化结构，从而使其参与电极表面固态电解质层的形成，有效提高水系锌基电池在大电流密度和沉积容量下的循环稳定性。另外，该电解液体系制备步骤简单、条件温和、成本低、重复性强，可用于大规模生产，可用于制备锌基电池。

技术研发人员：韩翠平,常彩云,成会明
受保护的技术使用者：中国科学院深圳理工大学（筹）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13