一种官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液及其制备方法和应用

本发明涉及锌离子电池，更具体地，涉及一种官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液及其制备方法和应用。

背景技术：

1、锂离子电池问世以来，由于其能量密度高，循环性能优良而被广泛应用。但是，有限的锂资源、高成本、安全性差和对环境的影响阻碍了锂离子电池的大规模应用。因此开发出安全可靠，性能优良的替代品十分必要。由于锌离子电池具有理论容量高、安全性好、制备工艺简单、有利于批量生产等优点，而且锌元素在自然界中的含量较高、价格便宜，锌离子电池被认为有望取代锂离子电池。

2、二次锌离子电池主要通过锌离子在正负极之间迁移实现储能，但是充电过程中锌离子往锌负极沉积时往往难以实现均匀沉积，锌沉积不均匀时便会产生枝晶问题，严重影响锌离子的循环性能及使用寿命，不利于锌离子电池的商业化和广泛应用。因此，寻找可行有效的方法抑制水系锌离子电池副反应，提升电池使用寿命具有深远意义。

3、为了抑制电池副反应，促进锌离子均匀沉积，电解液添加剂作为常用策略被广泛应用。然而，常用的电解液往往存在其缺陷：浓度使用过高、影响电导、成本高、制备复杂等。如有机添加剂的使用会破坏锌离子电池的最初开发用途，使锌离子电池不再具有高安全性和无毒性的优点。又如掺杂合成的添加剂往往制备工艺复杂，价格昂贵，不适合批量生产和商业化。此外，有的电解液添加剂还会参与反应，导致副反应加剧等问题，影响电池的使用寿命。中国专利cn 115799662a公开了一种抑制锌电池锌枝晶的电解液添加剂，该电解液添加剂能通过调节锌离子溶剂化来促进锌离子均匀沉积，但是所制备的聚合物添加剂价格高昂，且会降低电解液的离子电导。中国专利cn115911592 a公开了一种含碳点的锌离子电池电解液及其制备方法和应用,该电解液包括可溶性锌盐、去离子水、有机溶剂和碳点。虽然该种碳量子点能作为电解液添加剂使用，但是制备流程较为复杂，制备过程中需要用到大量的惰性气体，导致成本较高。而且由于所述碳点以聚(4-苯乙烯磺酸)锂盐和柠檬酸为原料, 锂盐价格较高，不利于商业化应用。更重要的是，以上述碳量子点作为添加剂组装的全电池放电容量较小。

4、基于以上背景，设计步骤简单、成本低廉且性能优异的锌离子电解液势在必行。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题是提供一种官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液及其制备方法和应用，以提高锌离子电池的安全性、循环性能和使用寿命。

2、为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

3、一种官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液，包括可溶性锌盐、去离子水和碳点。

4、上述官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液的制备方法，包括以下步骤：

5、（1）称取若干硫酸锌溶解于去离子水中，搅拌均匀，制备浓度为0.5～3 mol/l的硫酸锌溶液；

6、（2）向硫酸锌溶液中加入葡萄糖粉末至葡萄糖浓度为0.005～0.2mol/l，搅拌均匀，得到均一透明的混合溶液；

7、（3）将步骤（2）所得混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，密封后进行水热反应；

8、（4）反应结束后，将混合溶液的温度冷却至室温，得到官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液。

9、水热温度和时间会影响的碳量子点的尺寸，温度过高、时间过长会导致碳量子点的尺寸过大。优选地，步骤（3）所述水热反应的温度为140-180℃，反应时间6-10h。

10、本发明还提供上述官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液在制备水系锌离子电池中的应用。

11、将本发明所述官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液应用于水系锌离子电池时，官能团化碳量子点的浓度会影响锌的沉积效果。若浓度过低，碳量子点辅助锌沉积的作用有限；若浓度过高，又会影响锌离子的迁移动力。

12、其中，硫酸锌和葡萄糖的浓度是影响制备的官能团化碳量子点效果的两个重要因素。葡萄糖浓度过高会导致制备的碳点较大，容易沉降；浓度过低则不宜有效保护锌负极。同时，由于盐析效应，如果溶液中硫酸锌浓度过大，还会影响碳量子点在溶液中的溶解度。本发明优选硫酸锌溶液浓度为2mol/l，葡萄糖浓度为0.01mol/l。

13、一种电池，包含上述官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液。

14、本发明的有益效果在于：

15、（1）通过水热一步法制备官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液，绿色环保、安全性好、价格低廉，制备条件可控且操作简单，适合批量生产和商业化。

16、（2）硫酸锌是常用的锌离子电池电解质，但是析氢腐蚀和锌枝晶问题严重影响锌离子电池的稳定性和使用寿命。本发明制备的官能团化碳量子点大小均匀，将其添加于硫酸锌电解液中，在电池循环过程中，可以在锌表面原位形成保护层，缓解副反应的发生，进而提升锌离子电池的稳定性和使用寿命。锌纽扣电池循环性能测试表明，相对于以纯硫酸锌电解液作电解质，以本发明所述官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液作电解质的锌电极循环稳定性提高了8倍。

17、（3）本发明制备的官能团化碳量子点表面含有大量负电性基团，如羟基、羧基和磺酸基，这些带负电的基团比水分子更容易与带正电的锌离子结合，从而打破锌离子的溶剂化结构，助力锌去溶剂化和抑制产氢等副反应。此外，官能团化碳量子点在锌表面的吸附也有助于引导锌均匀沉积，进一步提高锌离子电池稳定性和循环性能。

技术特征：

1.一种官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液，其特征在于，所述官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液的制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液，其特征在于，步骤（3）所述水热反应的反应温度为140-180℃，反应时间6-10h。

3.根据权利要求1所述一种官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液，其特征在于，步骤（1）中硫酸锌溶液浓度为2mol/l。

4.根据权利要求1所述一种官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液，其特征在于，步骤（2）中所述葡萄糖浓度为0.01mol/l。

5.权利要求1所述的官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液在制备水系锌离子电池中的应用。

6.一种电池，其特征在于，包含权利要求1所述的官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液。

技术总结
本发明提供了一种官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液及其制备方法和应用，该电解液包括可溶性锌盐、去离子水和碳量子点。所述官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液的制备方法包括以下步骤：称取若干硫酸锌溶解于去离子水中，制备浓度均匀的硫酸锌溶液；向硫酸锌溶液中加入葡萄糖粉末得混合溶液；将混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，密封后进行水热反应；水热反应结束后，降低混合溶液的温度至室温，得到官能团化碳量子点掺杂的硫酸锌电解液。本发明的电解液中的碳量子点大小均匀，在电池循环过程中，可以在锌表面原位形成保护层，缓解副反应的发生，进而提升锌离子电池的性能和使用寿命，并且具有较大的放电容量。

技术研发人员：朱前程,王登科,赵丹阳,张文明
受保护的技术使用者：河北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15