基于水系锌离子电池电解液添加剂的设计及其性能研究

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由于现阶段面临的全球环境恶化和能源短缺问题,以及对大容量、低成本、高安全性的电化学存储设施升级的巨大需求,促使了水系电池,特别是水系锌离子电池(AZIBs)的迅速发展,AZIBs有可能成为高度商业化的锂离子电池的替代品。尽管AZIBs在未来储能领域具有诸多优势和广阔的前景,但仍存在许多的缺陷,比如锌枝晶的生长,锌腐蚀以及析氢等副反应导致电池循环稳定性差、库仑效率(CE)低等。其中锌枝晶生长是最为主要的问题,锌枝晶的生长容易穿透电池隔膜,造成短路。在面容量大、电流密度大的情况下,锌枝晶的问题尤为严重。为解决锌负极存在的锌枝晶等问题,人们采取了各种策略,如锌负极改性、电解液设计以及隔膜改进等。其中,通过使用添加剂设计新型电解液因其方便、高效、低成本而被认为是最有前景的方法之一。本文首先对近年来锌负极枝晶抑制方面的研究工作做了综述,然后提出了两种电解液添加剂用于改进传统电解液,以增强锌离子电池的性能。研究内容如下:(1)使用葡萄糖胺盐酸盐(Glucosamine Hydrochloride,GH)作为电解液添加剂。结果表明,在1 m A cm-2的电流密度和0.5 m Ah cm-2的面积容量下,使用具有0.4 g L-1GH添加剂的硫酸锌电解液所组装的Zn//Zn对称电池可稳定循环超过900 h,在5 m A cm-2,2.5 m Ah cm-2条件下能稳定循环超过260 h。并且锌负极在GH添加剂电解液体系下具有更加优异的电化学性能。通过表征测试直观的观察到了GH添加剂对锌负极的作用,能使锌离子的沉积更加的致密均匀。使用GH添加剂电解液组装的Zn//MnO2全电池在1 C的电流密度下放电比容量可以达到295.54 m Ah g-1,在400圈的循环之后有更高的容量保持率,并且库伦效率也更加的稳定。证明了GH添加剂在电解液添加剂方面具有应用潜力。(2)使用葡萄糖酸钠(Gluconic acid sodium salt,GAS)作为锌离子电池电解液的添加剂。结果表面加入0.1 M的GAS能大大提升Zn//Zn对称电池的循环性能,在1.0m A cm-2,0.5 m Ah cm-2条件下稳定循环超过2480 h。通过电化学以及表征测试表明了GAS添加剂对锌离子在锌负极上的沉积具有稳定作用,以及对副产物的产生具有抑制作用,并且能够减缓锌腐蚀的速率。证明了GAS具有作为水系锌离子电池电解液添加剂的应用潜力。
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