[发明专利]一种胶体电解质及包含其的锌离子电池

说明书

本发明涉及一种胶体电解质及包含其的锌离子电池，胶体电解质由溶剂、无机胶凝剂、硫酸锌和硫酸锰混合组成流动态的稳定体系，其中，所述无机胶凝剂为纳米二氧化硅。所述锌离子电池由正极、负极和所述胶体电解质组成，以二氧化锰、一氧化锰、锰酸锌中的任一种为正极，以金属锌为负极。所述锌离子电池的比容量与常规锌离子电池相当，但循环性能得到明显改善，例如在0.5A/g倍率下循环200次后的容量保持率大于92％，优于采用常规水系电解质制作的锌离子电池的52％。本发明中胶体电解质具有优良的物理特性和电化学性能，可有效抑制负极锌枝晶和锌腐蚀等问题，且工艺简单、快速、成本低、环境友好，特别适用于长寿命锌离子电池体系。

技术领域

本发明涉及一种水系电池领域，尤其是涉及一种胶体电解质及包含其的锌离子电池。

背景技术

锂离子电池由于具有高能量密度、宽电化学窗口和高可逆性等特点，成为移动电源和电动汽车的主要电源。然而锂离子电池使用的有机电解液成本高，且存在易燃等安全隐患。与之相比，水系电解液不仅具备高离子电导率、高功率密度、生产条件简单和成本低等优点，而且不易燃，安全性好，因此，受到研究者越来越多的关注。其中，水系锌离子电池由于储量丰富、无毒、过电位低(-0.76V)和理论容量高等优势，吸引了格外的关注。然而，金属锌作负极也存在锌枝晶、库伦效率低、循环稳定性差等问题。其中，锌枝晶问题与锌沉积/溶解的不均匀性有关，库伦效率低和利用率不足的问题与锌电极的析氢反应和生成不可逆副产物有关。

目前，将无机物或有机物添加到负极材料中，改变锌的析氢电位、腐蚀电位、极化行为，降低锌的析氢腐蚀，减少副产物等，或者在锌负极表面添加功能保护层，提高金属锌的耐蚀性，引导锌的均匀沉积/溶解，是抑制锌枝晶生长，提高锌负极稳定性的主要策略。此外，通过聚合物高分子与锌离子盐制备形成凝胶态电解质，也是常用的策略之一。研究较多的聚合物有聚氧化乙烯(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酰胺(PAM)等。

然而，传统的凝胶电解质是将有机高分子与液态电解液经过简单混合制成的，有机高分子的锌离子传输能力较弱，对锌离子的运动起阻碍作用，导致凝胶类电解质的离子电导率较低。此外，这些化工合成的有机物对环境和人体有一定的毒害作用，有必要选用一种环境友好、安全无毒的无机填料来制备凝胶电解质。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的锌离子电池凝胶态电解质电导率低，以纳米氧化硅作为无机胶凝剂，混合一定浓度的硫酸锌和硫酸锰水溶液，提供一种胶体电解质及包含其的锌离子电池，具有较优的循环稳定性，可以有效解决上述问题。

现有技术中凝胶态电解质由于引入有机类的表面活性剂或者改性试剂，配方不够环保，更重要的是凝胶态的电解质具有不流动的固态或者准固态特征，不仅不利于电导率的提高，也不利于注液操作；另一方便，为了调控固态材料的结构，往往在制备工艺上过于复杂，成分涉及多种组份，造成推广运用困难等问题。

本发明采用溶剂、无机胶凝剂、硫酸锌和硫酸锰的混合形成的胶体电解质，成品材料具有一定的流动性，且稳定性较好。所述无机胶凝剂为纳米二氧化硅，粒径范围为5～15nm，优选5～9nm，采用粒径更小的纳米二氧化硅，形成液态胶体的稳定性更好。

为了形成水系电解质，优选以水作为溶剂，其含量为胶体电解质总重的55-60％，以保证胶体较好的流动状态和电导率。

本发明中，胶体电解质中还含有硫酸锌和硫酸锰，用以搭配正负极形成稳定循环体系，其中，硫酸锌浓度优选为1～2mol/L，硫酸锰的浓度优选为0.05～0.2mol/L。硫酸锰的作用是为了抑制正极二氧化锰的溶解，如果浓度过高会导致Mn²⁺在充电过程中发生氧化，在正极造成MnO₂的沉积，影响体系的稳定性。

具体方案如下：

一种胶体电解质，所述胶体电解质由溶剂、无机胶凝剂、硫酸锌和硫酸锰混合组成流动态的稳定体系，其中，所述无机胶凝剂为纳米二氧化硅，粒径范围为5～15nm。