水系锌离子电池电解液设计及阳极侧界面电化学行为研究

作     者：李翼虎 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙旦

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：水系锌离子电池 锌阳极 电解液 界面 锌枝晶 腐蚀 

摘      要：由于其优异的安全性、高理论比能量密度、低成本等优点,水系锌离子电池有望被应用于大规模储能领域。然而,在长时间循环过程中,锌枝晶逐渐生成,同时伴随析氢和腐蚀产生,降低阳极利用率,并且这些副反应会加速锌枝晶生长,从而刺破隔膜,最终导致电池失效。这极大地阻碍了水系锌离子电池的商业化应用。本文通过电解液改性和研究锌阳极/电解液界面电化学行为,开发了一系列可以抑制锌枝晶生长及副反应,提升水系锌离子电化学性能的电解液,并探索其内在工作机制。具体工作如下:(1)引入高价阳离子添加剂,改变锌成核机制,引导稳定的锌剥离/沉积行为。将优选浓度的硫酸亚铈或硫酸镧加入硫酸锌溶液中,得益于三价铈离子或三价镧离子的优先吸附行为,会引发锌成核机制的转变,即从瞬时成核机制变为连续成核机制,同时上述高价阳离子还可以抑制锌离子二维表面扩散,最终实现均匀锌沉积。在该电解液中,Zn//Zn对称电池在1m A cm-2-1m Ah cm-2条件下循环寿命长达400h,而空白电解液只能使其运行约38h。Zn//Na VO·1.5HO全电池在5A g-1下循环250圈后容量保持率为87.0%,高于空白电解液的容量保持率(68.1%)。(2)设计了一种基于环丁砜添加剂调控锌金属负极界面双电层的硫酸锌电解液。该电解液中的环丁砜分子可以优先占据亥姆霍兹层,与锌离子相互作用,调节锌离子界面行为,利于引导锌离子均匀沉积,并且可以消除腐蚀副产物,显著提升了电池的电化学性能。具有最佳配比电解液的Zn//Zn对称电池在1m A cm-2-1m Ah cm-2条件下循环寿命可超过1000h,并且Zn//Na VO·1.5HO全电池在3A g-1下循环200圈后容量显著高于空白电解液(168.10m Ah g-1 vs 130.90m Ah g-1)。图48副,表6个,参考文献131篇