[發明專利]一種水系儲能器件中人工構筑正極電解質界面層的方法

在審

• 申請號: 202310090506.5
• 申請日: 2023-01-18
• 公開（公告）號: CN116093451A
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發明（設計）人: 李園園;龔鵬;周清源
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01M10/36
• 分類號: H01M10/36;H01M10/38;H01M4/04
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 許恒恒

本發明屬于新型水系儲能技術領域，具體公開了一種水系儲能器件中人工構筑正極電解質界面層的方法，該方法是先通過原子層沉積工藝在正極電極片表面沉積一層納米級厚度的正極電解質界面層(CEI)，再將得到的沉積有界面層的正極電極片用于搭建水系儲能器件。本發明所述的電解質界面構筑方法，工藝簡單、制備周期短、所形成的界面層厚度精準可控，不僅能夠有效改善電極與水系電解液的界面接觸問題，還能阻止水分子對電極表面的侵蝕，顯著地提升正極材料在水系電解液中的循環穩定性；并且，由于避免了電極和電解液的直接接觸，還能抑制水系電解液的析氧反應，從而進一步擴展工作電壓窗口，提高水系儲能器件的能量密度。

技術領域

本發明屬于新型水系儲能技術領域，更具體地，涉及一種水系儲能器件中人工構筑正極電解質界面層的方法，可進一步配合柔性電解質從而得到柔性水系儲能器件。

背景技術

目前，基于有機電解液的鋰離子儲能器件因具有可觀的能量密度，已廣泛應用于智能設備、新能源汽車以及大型電站等多個領域，但是安全性和生產成本等問題一定程度上制約其在未來大規模的應用。相較而言，水系儲能器件因在安全、環保、儲量以及封裝條件等方面更具優勢而備受關注。不過，由于水熱力學穩定電壓窗口僅有1.23V，導致水系儲能器件的能量密度較低；而水系電解液中自由水的活性高、極性強，還會引起電極材料的溶解；再者，充放電過程中不可避免的析氫/析氧反應，同樣會加速容量的衰減。因此，如何提高水系儲能器件的能量密度和循環穩定性是當前研究的熱點和難點。

本發明發明人在先前研究得到了一種水系鈉離子混合電容器及其制備方法與應用(可參見中國專利文獻ZL202210539955.9)，使用具有高的電位和能量密度的Na₃(VO)₂(PO₄)₂F@rGO作為正極，并通過控制工作電壓區間為0～1.0V(vs.SCE，后同)，僅利用該材料0.8V電位的氧化還原峰進行能量存儲，在較大程度上抑制了材料的溶解，實現了循環穩定性的大幅提升。雖然能較大程度上抑制溶解，但是放棄利用1.2V電位的氧化還原峰，僅能利用了該材料50％的理論比容量和約40％的理論能量密度，未能發揮出其作為高電壓鈉離子正極材料的潛力。

鑒于正極活性材料溶解是當前水系儲能器件普遍存在的難題，如果能夠采取一種簡單有效的策略解決該問題，并且充分發揮電極材料的儲能潛力，無疑對水系儲能器件的推廣應用具有重要意義。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明的目的在于提供一種水系儲能器件中人工構筑正極電解質界面層的方法，通過原子層沉積工藝在正極電極片表面沉積構筑一層納米尺度且厚度均勻的正極電解質界面層(CEI)，提升正極活性材料在水系電解質中的電化學性能，尤其可提升水系儲能器件的循環穩定性。本發明電解質界面構筑方法，工藝簡單、制備周期短、所形成的界面層厚度精準可控，不僅能夠有效改善電極與水系電解液的界面接觸問題，還能阻止水分子對電極表面的侵蝕，顯著地提升正極材料的循環穩定性；并且，由于避免了電極和電解液的直接接觸，還能抑制水系電解液的析氧反應，從而進一步擴展工作電壓窗口，提高水系儲能器件的能量密度。

為實現上述目的，按照本發明提供了一種在水系儲能器件中構筑人工正極電解質界面層的方法，其特征在于，該方法是先通過原子層沉積工藝在水系儲能器件的正極電極片表面沉積一層納米級厚度的正極電解質界面層(CEI)，再將得到的沉積有界面層的正極電極片作為正極用于搭建水系儲能器件；

其中，水系儲能器件的電解質是以水為溶劑，且含有鋰鹽、鈉鹽、鉀鹽、鋅鹽中的至少一種。

作為本發明的進一步優選，所述正極電解質界面層的材料具體為Al₂O₃、ZnO、LiF、NaF、Li₃N、TiO₂、Li₃PO₄中的至少一種，優選為Al₂O₃。