一种用于水系锌离子电池的电解液及其应用

本发明涉及水系锌离子二次电池领域，具体涉及一种用于水系锌离子电池的电解液及其应用。

背景技术：

1、随着传统的化石能源濒临枯竭，以太阳能、风能、潮汐能等为主的清洁可再生能源迅猛发展。然而，受天气、地域、时间等因素影响，前述清洁可再生能源无法持续稳定地提供能量来源，同时其产生的能量也亟需通过大规模的储能与转化设备以实现更大的电网可调性。近年来，水系锌离子电池(azib)作为新型二次离子电池成为储能领域的热点。水系锌离子电池兴起的原因主要有以下几个方面：第一，锂、钠、钾等金属活泼性较高，易与空气中的水或氧气等发生反应，因此在组装过程中需要惰性气体保护，相比之下，水系锌离子电池的正负极和电解液都具有良好的稳定性，能够长时间放置在空气中，组装更方便；第二，锌的储量丰富，易于获取，具有廉价和环保的优势；第三，水系锌离子电池具有较高的理论容量(820mah/g)，且相比于有机电解液，水系电解液更加便宜、安全，同时其离子电导率也相对更高。

2、然而，在水系锌离子电池的充电过程中，无论是碱性、酸性还是中性电解液中，锌负极都会发生自放电反应(自腐蚀)，使电池比容量无法达到理想状态。除此之外，在碱性电解液体系下，丰富的oh-会与锌负极反应，生成副产物碱式硫酸锌，一方面消耗了大量电解液，另一方面生成的副产物还会附着在锌负极表面，减少表面的活性位点使得负极钝化。而当在中性或是酸性电解液体系下，大多会发生电化学腐蚀，主要是锌的不可逆消耗(如充放电过程中锌离子在锌表面不均匀沉积产生枝晶，并在成长过程中发生脱落构成死锌；又如在电化学反应中锌离子与oh-生成惰性副产物)。腐蚀过程会使负极表面不均匀，加剧枝晶的生长，当枝晶生长不受限制时，隔膜会被刺穿，从而电池发生短路。与此同时，枝晶的快速生长造成锌与水之间的接触面积增多，使得析氢反应不可避免，析氢反应会消耗锌负极和水，生成许多副产物包括氢氧化锌和碱式硫酸锌，甚至氢气的产生造成电池内部压力过大产生膨胀以及电解液泄露。这是一个恶性循环过程，亟需对其中的环节加以抑制。

技术实现思路

1、针对抑制水系锌离子电池存在的副反应和锌枝晶生长，以提升水系锌离子电池的长循环性能的技术难题，本发明创造性地提出将一种同时含有苯基和磺酸基团的染料分子作为电解液添加剂并应用于水系锌离子电池。该染料分子一方面能够参与锌离子水合溶剂化壳层的重建；另一方面，磺酸基团的存在，能够使该染料分子有效吸附在锌负极的表面形成稳固的固体电解质界面(sei膜)，以隔绝锌负极与锌离子周围溶剂化水的接触，从而抑制充放电过程中锌枝晶的形成和生长。本发明采用如下技术方案：

2、一方面，提供一种用于水系锌离子电池的电解液。其包括：可溶性锌盐、水和染料分子；其中：所述染料分子同时含有苯基和磺酸基；所述可溶性锌盐的浓度为1～3m，所述染料分子的浓度为0.05～0.2mm。

3、在一些实施例中，所述染料分子包括直接红、刚果红、日落黄、直接紫、直接绿、甲基橙、甲基蓝、磺酸基cy3菁染料、藏花橙、苋菜红、考马斯亮蓝或活性艳蓝中的至少一种。

4、在一些实施例中，所述染料分子为直接红80，其结构式为：

5、

6、在一些实施例中，所述染料分子为刚果红，其结构式为：

7、

8、在一些实施例中，所述染料分子为日落黄，其结构式为：

9、

10、在一些实施例中，所述染料分子的浓度为0.1mm，所述可溶性锌盐的浓度为2m。

11、在一些实施例中，所述可溶性锌盐包括硫酸锌。

12、另一方面，提供前述的电解液在水系锌离子电池中的应用。

13、本发明的有益效果：

14、1、针对抑制水系锌离子电池存在的副反应和锌枝晶生长，以提升水系锌离子电池的长循环性能的技术难题，本发明创造性地提出将一种同时含有苯基和磺酸基团的染料分子作为电解液添加剂并应用于水系锌离子电池。该染料分子一方面能够参与锌离子水合溶剂化壳层的重建；另一方面，磺酸基团的存在，能够使该染料分子有效吸附在锌负极的表面形成稳固的固体电解质界面(sei膜)，以隔绝锌负极与锌离子周围溶剂化水的接触，从而抑制充放电过程中锌枝晶的形成和生长。

15、2、本发明采用同时含有苯基和磺酸基的染料分子作为添加剂配置水系锌离子电池的电解液，基于此，本发明能够直接利用同时含有苯基和磺酸基的染料分子的染料废水作为溶剂配置水系锌离子电池的电解液，降低了电解液的成本；实现含有苯基和磺酸基的染料分子的染料废水的资源化利用；通过同时含有苯基和磺酸基的染料分子作为电解液添加剂，实现了电解液的改性优化，提升了水系锌离子电池的循环稳定性以及循环寿命，有利于促进节约资源与新能源开发的协调发展，开创能源发展与环境保护双赢局面。综上，本发明使用廉价有效的同时含有苯基和磺酸基的染料提高了水系锌离子电池的电化学能的同时，还实现了对印染废水的回收利用，应用前景良好。

技术特征：

1.一种用于水系锌离子电池的电解液，其特征在于，包括：可溶性锌盐、水和染料分子；其中：所述染料分子同时含有苯基和磺酸基；所述可溶性锌盐的浓度为1～3m，所述染料分子的浓度为0.05～0.2mm。

2.根据权利要求1所述的用于水系锌离子电池的电解液，其特征在于，所述染料分子包括直接红、刚果红、日落黄、直接紫、直接绿、甲基橙、甲基蓝、磺酸基cy3菁染料、藏花橙、苋菜红、考马斯亮蓝或活性艳蓝中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的用于水系锌离子电池的电解液，其特征在于，所述染料分子为直接红80，其结构式为：

4.根据权利要求2所述的用于水系锌离子电池的电解液，其特征在于，所述染料分子为刚果红，其结构式为：

5.根据权利要求2所述的用于水系锌离子电池的电解液，其特征在于，所述染料分子为日落黄，其结构式为：

6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于水系锌离子电池的电解液，其特征在于，所述染料分子的浓度为0.05～0.2mm，所述可溶性锌盐的浓度为2m。

7.根据权利要求6所述的用于水系锌离子电池的电解液，其特征在于，所述染料分子为直接红80，所述直接红80的浓度为0.1mm，所述可溶性锌盐的浓度为2m。

8.根据权利要求1所述的用于水系锌离子电池的电解液，其特征在于，所述可溶性锌盐包括硫酸锌。

9.权利要求1～8中任一项所述的电解液在水系锌离子电池中的应用。

技术总结
本发明涉及水系锌离子二次电池领域，具体涉及一种用于水系锌离子电池的电解液及其应用。用于水系锌离子电池的电解液包括：可溶性锌盐、水和染料分子；其中：所述染料分子同时含有苯基和磺酸基；所述可溶性锌盐的浓度为1～3M，所述染料分子的浓度为0.05～0.2mM。本发明使用廉价有效的同时含有苯基和磺酸基的染料提高了水系锌离子电池的电化学能的同时，还实现了对印染废水的回收利用，应用前景良好。

技术研发人员：神领弟,王永建,黎素宏
受保护的技术使用者：江苏师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15