摘要
同锂离子电池、钠离子电池等二次电池相比，锌离子电池有着低成本、高安全性以及高比容量等显著优势，已经成为了当前电化学储能领域的研究热点之一。锌离子电池主要由锌负极、电解质和正极三部分构成，各部分的性能会直接影响到电池的循环寿命、容量等性能，而电解质与锌负极和正极直接接触，其本征特性更是影响正负极材料能否发挥优异性能的关键因素之一。本文以改性锌离子电池的电解质为出发点，采用构建贫水型共溶剂、引入固态添加剂与制备准固态聚合物电解质的方法对锌离子电池的电解质进行改进和优化。本文的主要工作如下: (1).优化锌离子电池电解质，采用1，3-丙二醇有机溶剂与去离子水构建共溶剂，构建贫水型电解液，1，3-丙二醇分子可以耦合水系电解液的快速动力学与有机电解液的稳定热力学。电解液的电化学稳定窗口从2.01V扩展到2.74V,Zn‖MnHCF电池提供了3000次循环的超长寿命，在库仑效率约为100％的情况下保留了85％的初始容量，～1.4Ah大容量软包电池可以稳定运行150次，工作时长超过68天。 (2).对水系锌离子电池电解液进行改性，采取添加砜类添加剂的策略，调控锌离子在水系电解液中的溶剂化结构，其中，3-环丁烯砜分子通过调节双电层结构改善SEI的结构和组成，形成了富含ZnCO3的SEI。电解液的电化学稳定窗口从2.55V拓宽至2.80V，Zn‖TBABr3电池在0.5A/g的电流密度下具有超过1200次的长循环寿命，容量保持率可达到84.19％,此外，还对Zn‖TBABr3软包电池进行了低温性能测试，在-10℃的环境温度下可循环超过80次。 (3).将常用的PVDF系列聚合物电解质进行结构修饰，以纳米级钛酸钡作为无机填料，借助重力的作用，在固化的过程中自发形成梯度型聚合物电解质。PVDF基聚合物与钛酸钡均具有铁电压电的特性，其独有的电畴通过自发极化形成了内置电场，可以有效阻止锌负极侧的枝晶生长，BTO&OTF@PVDF聚合物电解质与BTO&OTF@PVDF-HFP聚合物电解质显著拓宽了聚合物电解质的电化学稳定窗口，实现了高度可逆的锌沉积/剥离库伦效率大于99％,离子电导率最高至1.39mS/cm,锌离子迁移数为0.69。Zn‖MnO2全电池在0.5A/g的条件下稳定运行超过1200个循环，容量保持率可达91.46％,贡献的平均比容量达到了～150mAh/g。
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