[发明专利]一种水系锌离子电池复配型凝胶电解液及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种水系锌离子电池复配型凝胶电解液及其制备方法和应用，该复配型凝胶电解液由木质素衍生物、无机纳米颗粒和水相电解液均匀混合而成。制备方法是将木质素衍生物、无机纳米颗粒依次加入水相电解液中，充分搅拌后静置一定时间，得到均一稳定的复配型凝胶电解液。本发明所提供的复配型凝胶电解液比水相电解液更安全；使用本发明所提供复配型凝胶电解液的水系锌离子电池，倍率和循环性能更优；本发明提供的木质素衍生物来源广泛、可再生且价格低廉，提供的无机纳米颗粒可规模化生产。因此，使用本发明所制备复配型凝胶电解液的水系锌离子电池，满足高容量、高能量密度、长寿命且环境友好的锌离子储能技术要求，应用前景广阔。

技术领域

本发明属于水系锌离子电池领域，特别涉及一种水系锌离子电池复配型凝胶电解液及其制备方法和基于该复配型凝胶电解液的水系锌离子电池。

背景技术

金属锌的理论体积比容量和理论质量比容量分别高达5854mAh·cm^-3和819 mAh·g^-1，而且Zn/Zn²⁺的标准电极电势较低(-0.76Vvs标准氢电极)，使得可充电水系锌离子电池在众多二次电池中成为热点研究对象。其中，以水溶性锌盐和水溶性锰盐的混合水溶液为电解液、金属锌为负极的可充电水系锌离子电池 (ReAZIB)，因其电极材料来源广泛、价格低廉、无毒、比容量较高，而且电解液安全性高、环保，被视为未来大规模储能、便携电动工具、可穿戴电子设备等领域非常有竞争力的二次电池之一。

然而在普通水相电解液(水溶性锌盐和水溶性锰盐的混合水溶液)中，Zn²⁺在锌负极表面的电化学沉积/剥离行为无序且过程不可控，使锌负极表面极易生长锌枝晶，从而导致ReAZIB的循环性能大幅降低。向水相电解液中添加黄原胶、明胶或聚乙烯醇等聚合物所制备的凝胶电解液，可有效抑制锌枝晶的形成和生长，但会造成电解液的离子电导率大幅下降，这必然会导致电池的容量损失和倍率性能下降。据报道在水系Zn/LiMn₂O₄二次电池中，向水相电解液(Li₂SO₄和ZnSO₄的混合水溶液)中添加气相纳米二氧化硅所形成的凝胶电解液，不仅可以有效抑制锌枝晶的形成和生长，还能够保持较高的离子电导率；但气相纳米二氧化硅颗粒表面的羟基(-OH)会释放H⁺，从而增加电解液对锌负极的腐蚀，导致凝胶电解液对电池循环性能的提升效果不明显。此外，目前尚无气相纳米二氧化硅基凝胶电解液应用于ReAZIB的研究报道。

木质素是具有三维网络结构、丰富官能团的天然可再生无定形聚合物，具有两亲性结构特征和抗菌、抗氧化以及缓蚀等天然属性，其可作为高分子表面活性剂和功能材料等在建筑、农业、能源等领域具有较大的潜在应用价值。然而其结构复杂且极易出现物理或化学异构，导致全球每年产生的工业木质素中只有不到5％被商品化利用，其余的被直接燃烧或作为垃圾被填埋，这样不仅没有挖掘木质素的潜在应用价值，反而造成巨大的资源浪费和严重的环境污染问题。因此，木质素基高附加值化学品的研发以及木质素基化学品的高附加值应用领域开拓等工作就显得尤为重要。

本发明对来源丰富、价格低廉且无毒的木质素进行合理改性，进而与气相纳米颗粒一起添加至水相电解液中，制备出具有抑制锌枝晶功能，同时对锌负极腐蚀性低的复配型凝胶电解液，从而同时提升ReAZIB的倍率性能和循环性能。本发明可为高性能可充电水系锌离子电池的电解液构建提供新思路，同时也为木质素资源的高值化利用开辟新应用领域。

发明内容

为了提升水系锌离子电池的综合性能，本发明的首要目的在于提供一种水系锌离子电池复配型凝胶电解液。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述复配型凝胶电解液的水系锌离子电池。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种水系锌离子电池复配型凝胶电解液，其特征在于所述的复配型凝胶电解液由木质素衍生物、无机纳米颗粒、水相电解液均匀混合而成。