[發(fā)明專利]一種水系電解液及其制備方法、水系鋰離子電池

在審

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• 申請日: 2021-06-25
• 公開（公告）號: CN113488705A
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發(fā)明（設計）人: 黃云輝;劉德重;袁利霞;李想
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01M10/36
• 分類號: H01M10/36
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 許恒恒

本發(fā)明公開了一種水系電解液及其制備方法、水系鋰離子電池，屬于電池水系電解液技術(shù)領(lǐng)域。所述方法包括：將溶解有鋰鹽的水溶液與溶解有鋰鹽的環(huán)丁砜溶液進行混合，得到所述水系電解液；所述水系電解液中鋰鹽的總濃度10mol/kg。本發(fā)明中采用了鋰鹽的總濃度10mol/kg，降低了鋰鹽用量，降低了成本，但并沒有降低水系鋰離子電池的性能，反而實現(xiàn)了水系電解液具有約4V的電化學穩(wěn)定窗口，可以匹配輸出電壓高達2.5V的水系鋰離子電池。從而豐富水系鋰離子電池電極材料的選擇，由此解決電化學窗口窄、電池的能量密度低、成本高昂的技術(shù)問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電池水系電解液技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種水系電解液及其制備方法、水系鋰離子電池。

背景技術(shù)

鋰離子電池已成為人們生產(chǎn)生活當中不可或缺的重要工具。伴隨著鋰離子電池的大范圍使用，關(guān)于鋰離子電池起火爆炸的事故也不斷被報導，鋰離子電池的安全性已然成為當下人們最為關(guān)注的指標。目前商用鋰離子電池使用易燃的有機電解液，在電池短路時，極易導致電池起火甚至爆炸。因此，用水溶液作為電解液的水系鋰離子電池，相較于目前商用的有機系鋰離子電池，其安全性大大增強。

由于水的熱力學穩(wěn)定窗口較窄，僅為1.23V，極大限制了水系鋰離子電池正負極材料的選擇，很多高電位的正極材料(如鎳錳酸鋰LiNi_0.5Mn_1.5O₄)和低電位的負極材料(如鈦酸鋰Li₄Ti₅O₁₂)都無法在水系鋰離子電池中使用。因此，水系鋰離子電池的輸出電壓很難突破1.5V，并且水系鋰離子電池的能量密度往往較低(70Wh kg^-1)，這極大限制了水系鋰離子電池的廣泛應用和發(fā)展。

另外，為了拓寬水系電解液的電化學穩(wěn)定窗口，在非專利文獻Science(2015,350(6263):938-943)中，公開了一種超高濃度的電解液，將電化學穩(wěn)定窗口拓寬至3V。但是其使用了大量的昂貴的鋰鹽，鹽濃度高達21mol/kg。在非專利文獻Joule(2018,2(5):927-937)中，公開了混溶水和碳酸二甲酯(DMC)的電解液，電化學穩(wěn)定窗口拓寬至4V，并把總體鹽濃度降低到約14mol/kg。但是，該混溶電解液的總體鹽濃度仍然較高，削弱了水系電解液原本的低成本優(yōu)勢。

因此，如何在較低的總體鹽濃度下，得到大幅拓寬的電化學穩(wěn)定窗口，是目前研發(fā)人員關(guān)注的問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種水系電解液及其制備方法、水系鋰離子電池，其目的在于在較低的總體鹽濃度下，得到大幅拓寬的電化學穩(wěn)定窗口，從而豐富水系鋰離子電池電極材料的選擇，由此解決電化學窗口窄、電池的能量密度低、成本高昂的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種水系電解液的制備方法，所述方法包括：將溶解有鋰鹽的水溶液與溶解有鋰鹽的環(huán)丁砜溶液進行混合，得到所述水系電解液；所述水系電解液中鋰鹽的總濃度10mol/kg。該水系電解液具有約4V的電化學穩(wěn)定窗口。電解液包括水、共溶的有機溶劑以及鋰鹽。

優(yōu)選地，所述溶解有鋰鹽的水溶液為溶解有鋰鹽的飽和水溶液。當鋰鹽為雙三氟甲基磺酰亞胺鋰時，其水溶液的濃度為21mol/kg。

優(yōu)選地，將溶解有鋰鹽的水溶液與溶解有鋰鹽的環(huán)丁砜溶液按照1:5～5:1的質(zhì)量比進行混合。

優(yōu)選地，所述溶解有鋰鹽的環(huán)丁砜溶液中，鋰鹽與環(huán)丁砜的摩爾比為1：1～3。

優(yōu)選地，所述水系電解液中鋰鹽與溶劑的摩爾比為1:2.155～1:2.573。

優(yōu)選地，所述水系電解液中溶劑水與環(huán)丁砜的摩爾比為1:2.399～1:0.096。

優(yōu)選地，所述鋰鹽為含有氟化磺酰亞胺基團的鋰鹽，該類鋰鹽具有解離能力極強、溶解度高、熱穩(wěn)定性高的特點。