[發明專利]一種水系鋰離子電解液及電池

在審

• 申請號: 202011240048.1
• 申請日: 2020-11-09
• 公開（公告）號: CN112366367A
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發明（設計）人: 毛武濤;李茂龍;錢逸泰;馬超;丁一鳴;賀暢;曹志翔;鮑克燕
• 申請（專利權）人: 江蘇理工學院
• 主分類號: H01M10/36
• 分類號: H01M10/36;H01M10/42
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 杭行

本發明公開了一種水系鋰離子電解液，其特征在于，該電解液由二甲基砜、高氯酸鋰、脲和水按0.5～2:0.5～1.6:0.5～2:0.3～2的摩爾比例復配而成，是四種原料混合研磨后置于水浴中超聲得到的透明均相溶液。本發明創造性地采用廉價的非易燃有機小分子和鋰鹽及水共同作用用于拓寬電化學穩定窗口，制備出的電解液具有高的離子導電率、較低的粘度、良好的高低溫相穩定保持性，整體制備過程簡單、易行、且降低了制備成本，非常有利于實現工業化生產。

技術領域

本發明屬于二次電池領域，具體涉及用于鋰離子電池的水系電解液及以此為基礎制備的鋰離子電池。

背景技術

鋰離子二次電池因具有高能量密度、長循環壽命等優勢自上個世紀90年代推出以來得到了廣泛的認可，目前已經被廣泛應用于電子產品電源、電動汽車、儲能等領域。

傳統的鋰離子電池主要采用有機電解液，這主要是因為傳統LCO/石墨體系鋰離子電池電壓較高，超過了水溶液電解質的穩定電壓窗口，因此只能采用有機溶液電解質，但此類鋰離子電池存在電導率低以及易于燃燒爆炸的高安全隱患。

近年來隨著人們對動力電池安全性、環保性要求的提高，人們開始考慮使用水系電解液來替代有機電解液；相比于有機電解液而言，水系電解液不僅成本低、安全性高、綠色環保，而且具有更高的電導率，能夠改善電池的功率特性。但是，水系電解液由于在負極易發生析氫反應、在正極發生析氧反應導致其電化學窗口較窄，導致大多數正負極材料在這一電化學窗口范圍內難以充分發揮出全部容量，這成為限制其應用的重大問題。

目前，拓寬水系電解液電化學窗口最常見的辦法就是配置高濃度的鋰鹽水溶液，即所謂的“water in salt”電解液(Science,350(2015):938-943,10.1126/science.abb1595,10.1038/s41586-019-1175-6)，其能夠有效地抑制水分解，從而拓寬電解液的電化學窗口。但是此類方法通常需使用價格昂貴的鋰鹽例如三氟磺酰亞胺鋰等，且鋰鹽的用量很大，這就使得該水系電解液的制備具有很高的成本，另外電解液粘度很大，會造成鹽析現象。

因此，尋找一種簡單、易行、廉價的拓寬水系電解液電化學窗口的方法顯得尤為必要。而利用能夠同時和鋰鹽及水形成強烈分子間作用力的極性有機小分子，“稀釋”高鹽電解液的同時保持寬的電化學窗口等性能將是一種低成本配制水系電解液的有效策略。

發明內容

本發明的目的在于提供一種水系鋰離子電解液及電池，本發明采用廉價的非易燃有機小分子和鋰鹽及水共同作用用于拓寬電化學穩定窗口，操作簡單、易行、低成本，非常有利于實現工業化生產。

本發明是這樣來實現的：一種水系鋰離子電解液，由二甲基砜、高氯酸鋰、脲和水按0.5～2:0.5～1.6:0.5～2:0.3～2的摩爾比例復配而成，是四種原料混合研磨后置于水浴中超聲得到的透明均相溶液。

一種以上述水系鋰離子電解液制備而成的電池，正極材料為錳酸鋰，負極材料為鈮酸鈦或磷酸鈦鈉，正極集流體采用鈦箔、不銹鋼箔或碳紙，負極集流體采用鋁箔、銅箔或碳紙，可以采用紐扣或疊片形式組裝。

有益效果：

本發明提供的水系鋰離子電解液具有寬的電化學穩定窗口(3.4V～3.6V)、高的離子導電率、較低的粘度、良好的高低溫相穩定保持性；

本發明提供的水系鋰離子LiMn₂O₄//TiNb₂O₇電池突破性的實現了高達2.4V的工作電壓及196Wh/kg的能量密度，穩定后該電池不僅具有高的庫侖效率同時具有較好的循環穩定性；