[發明專利]一種超低鹽濃度水合熔體電解質及其應用

在審

• 申請號: 202111281780.8
• 申請日: 2021-11-01
• 公開（公告）號: CN114512727A
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 崔光磊;張建軍;田宋煒;周麗雪;劉亭亭;張津寧;張浩;胡思伽;徐紅霞
• 申請（專利權）人: 中國科學院青島生物能源與過程研究所
• 主分類號: H01M10/36
• 分類號: H01M10/36
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 高笑

本發明涉及水系電解質，具體的說是一種超低鹽濃度水合熔體電解質及其在構成水系鋰離子電池中的應用。超低鹽濃度水合熔體電解質含環內酰胺，環內酰胺在超低鹽濃度水合熔體電解質中的質量分數為65％?85％；電解質室溫離子電導率為1×10^?4S/cm?9×10^?2S/cm；電化學穩定窗口≥3.1V(析氫電位≤1.4V，析氧電位≥4.5V)。本發明的超低鹽濃度水合熔體電解質制備容易，成本低廉；室溫離子電導率高；與此同時，該超低鹽濃度水合熔體電解質電化學穩定窗口寬，能夠有效抑制水系鋰離子電池的析氫副反應和析氧副反應的發生，從而可以有效匹配更低電位的負極材料和更高電位的正極材料，因而能夠顯著提升水系鋰離子電池的界面穩定性能、長循環性能和能量密度。

技術領域

本發明涉及水系電解質，具體的說是一種超低鹽濃度水合熔體電解質及其在構成水系鋰離子電池中的應用。

背景技術

鋰離子電池具有非常好的應用前景，但是其安全性能有待進一步的提升，尤其是在可穿戴智能設備等方面。然而，目前采用液態碳酸酯有機電解液的鋰離子電池，在濫用、短路或極端情況使用時，電池內部會瞬間釋放大量熱量，會引燃有機電解液，進而發生起火、燃燒、爆炸等潛在的重大安全隱患，極大影響了用戶舒適體驗和生命安全，儼然已經成為液態有機電解液鋰離子電池進一步發展的最大攔路虎。相對于傳統有機液態電解液，采用水系電解質的二次鋰離子電池具有不起火不爆炸、本征安全、潛在的低成本、電池組裝條件相對不嚴苛等諸多優點，因此水系鋰離子電池已經成為當前二次電池領域的一大研究熱點。

1994年，Dahn等首次提出水系鋰離子電池的概念。在這種新型水系鋰離子電池中，Li₂SO₄或LiNO₃水溶液作為電解質，負極采用VO₂，正極采用LiMn₂O₄。雖然在正極發生的析氧反應導致電池的實際能量密度接近40W·h/kg。但依然大于鉛酸電池，與鎳鎘電池相當。但由于電極材料在水溶液里的分解以及電極材料的結構變化，導致電池性能快速衰減，循環性能很差。

同時，傳統水系電解質存在電化學穩定窗口窄，只有1.23V(析氧電位為3.86V，析氫電位為2.63V)，因而在正負極界面處電解液容易發生析氫、析氧等副反應；另外腐蝕集流體，導致庫倫效率低和循環性能差等致命問題。

為解決傳統水系電解質存在的上述諸多弊端，2015年，美國馬里蘭大學的王春生教授在Science發表文章，提出了“water-in-salt”高濃鹽水系電解質(21m LiTFSI)。實驗結果表明：該高濃鹽水系電解質具有獨特的溶劑化結構，幾乎所有陰離子和水分子都參與了溶劑化機結構，形成了結合水顯著降低了自由水含量，降低了水的反應活性，另外高濃鹽導致TFSI^-的優先分解，形成優異的界面保護層，從而使得該水系電解質的電化學穩定窗口拓寬到2.9V(析氫電位降低到1.9V，析氧電位提升到4.8V)，成功實現了LiMn₂O₄/Mo₆S₈水系鋰離子電池的長循環運行(4.5C倍率下循環1000圈容量保持率68％)。然而該高濃鹽水系電解質(21m LiTFSI)的析氫電位為1.9V，導致更低電位的負極如鈦酸鋰(1.55V)不能應用于由該電解質體系組成的水系鋰離子電池中，水系鋰離子電池的能量密度受到了極大的限制。