[发明专利]石墨烯量子点的应用以及锌离子电池电解液和锌离子电池

说明书

本发明公开了一种石墨烯量子点的应用以及锌离子电池电解液和锌离子电池。该应用具体为表面具有含氮，硫，氧的电负性基团的石墨烯量子点作为锌离子电池的电解液添加剂的应用。该石墨烯量子点作为电解液添加剂可以在电解液溶液中吸附锌离子，均匀地共沉积在负极表面，接着诱导锌离子沿平行于电极表面的(002)晶面优先沉积，从根本上抑制了锌枝晶的形成。此外，石墨烯量子点质量轻，不影响电池的能量密度，性能稳定，不产生副反应，可在充放电过程中循环利用，达到长时间的性能改善。该电解液中添加有该石墨烯量子点的水系锌离子电池可以持续点亮LED阵列，在高能量密度的锌离子电池领域具备良好前景。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种石墨烯量子点的应用以及锌离子电池电解液和锌离子电池。

背景技术

相较于易燃易爆的有机电池，水系多价金属离子电池具备更高的安全性且环境友好。其中，锌金属具备丰富的自然储量、高理论容量和低电化学电位。这使得水系锌离子电池备受关注。然而，难以克服的锌枝晶问题严重阻碍了锌离子电池的实际应用。锌在负极侧的连续枝晶生长会引起严重的副反应，甚至可能刺穿隔膜，最终导致电池库仑效率降低和循环寿命缩短。在高正极载量和低N/P比的情况下，枝晶问题将更加严重。

人们普遍认为，锌负极的枝晶问题源于电池循环过程中锌负极表面的电荷和离子分布不均匀，以及优先选取低表面能的(101)面沉积导致的垂直生长。因此，研究人员进行了大量的探索研究去解决锌负极的枝晶问题，主要通过以下三种方式进行解决：1)结构设计：制备三维结构、复合结构来抑制锌枝晶的体积膨胀，诱导锌离子的均匀沉积。但是，复杂结构增大的比表面积带来更多的活性位点，从而加快了副反应的速率；2)界面设计：通过在锌片表面涂覆改性层以均匀地诱导离子或电子。然而，界面改性通常会增加内阻并降低能量密度，且涂层在反复充放电的过程中容易损坏；3)电解液添加剂：通过引入有机或无机的添加剂，实现静电屏蔽、人工固体电解质界面膜(SEI层)、电场均匀分布，以及诱导晶面取向。但添加剂在充放电过程中的消耗与分解问题仍不利于电池的长循环。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯量子点的应用以及锌离子电池电解液和锌离子电池，以改善上述技术问题。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供了一种石墨烯量子点作为锌离子电池的电解液添加剂的应用，石墨烯量子点表面具有含氮，硫，氧的电负性基团。

第二方面，本发明还提供了一种锌离子电池电解液，其成分包括锌盐和上述应用中的石墨烯量子点。

第三方面，本发明还提供了一种锌离子电池，其包括上述电解液。

本发明具有以下有益效果：表面含有氮、氧、硫等元素的石墨烯量子点作为电解液添加剂可以在电解液溶液中吸附锌离子，均匀地共沉积在负极表面，接着诱导锌离子沿平行于电极表面的(002)晶面优先沉积，从根本上抑制了锌枝晶的形成。此外，石墨烯量子点质量轻，不影响电池的能量密度，性能稳定，不产生副反应，可在充放电过程中循环利用，达到长时间的性能改善。该电解液中添加有该石墨烯量子点的水系锌离子电池可以持续点亮LED阵列，在高能量密度的锌离子电池领域具备良好前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施方式中作为电解液添加剂的石墨烯量子点的制备方法的流程示意图；

图2为本发明实施例1中制备得到的石墨烯量子点的TEM和HRTEM图；

图3为本发明实施例1中制备得到的石墨烯量子点的FTIR图；