水系电解液及水系金属离子电池制造技术

本发明专利技术公开了一种水系电解液及水系金属离子电池，其中，水系电解液包括水、电解质盐和稀释剂；其中，电解质盐包括锂盐、钠盐、钾盐、锌盐中的任意一种或多种；稀释剂包括二氧六环类化合物。化合物。化合物。

【技术实现步骤摘要】
水系电解液及水系金属离子电池


[0001]本专利技术涉及水系电池
，具体涉及一种水系电解液及水系金属离子电池。

技术介绍

[0002]锂离子电池(LIB)由于其出色的性能(高输出电压，高能量密度等)而已成为我们日常生活中不可或缺的一部分。然而，为了支持宽电压范围(＞3.0V)，LIB必须使用易燃和有毒的非水电解质，这与便携式电子设备，电动汽车等经常报道的火灾或爆炸事故密切相关。目前正在探索不同的策略来提高其安全性，包括使用比有机电解质更便宜，更安全且毒性更低的水系电解液。但是，相关技术中的水系电解液一般只能提供～1.23V的窄的热力学电化学稳定性窗口，这严格限制了水系电池的输出电压并导致能量密度较低。
[0003]水系锌离子电池(AZIBs)迅速发展，因为锌金属阳极具有较高的理论容量(820mAh/g)，较低的电化学电势(
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0.76V vs SHE)和高自然丰度。但是，阳极表面枝晶的生长限制了水系锌电在实际中的应用，锌阳极受到水的严重腐蚀，从而导致库伦效率低和枝晶的形成。严重的枝晶生长甚至可能刺穿隔膜造成电池短路。所以抑制锌枝晶的形成，为水系锌电可以大规模应用于储能系统提供了希望。
[0004]相关技术中采用一种非常高的浓度(摩尔浓度21mol/Kg)将双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺锂和三氟甲基磺酸锌溶解在水中的水系电解液来抑制锌枝晶的形成，称为“盐中水”电解液。但是在实际应用中，这种高浓度的水系电解液存在粘度大、成本高的问题。
[0005]水系锌离子电池由于锌金属阳极具有较高的理论容量、较低的电化学电势和高自然丰度被广泛应用于储能系统。但是阳极表面枝晶的生长限制了水系锌电在实际中的应用，锌阳极受到水的严重腐蚀，从而导致库伦效率低和枝晶的形成。严重的枝晶生长甚至可能刺穿隔膜造成电池短路。
[0006]高浓度的水系电解液可以解决水系锌枝晶的问题，但是在实际应用过程中，高浓度的水系电解液还存在高成本和高粘度的问题。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术提供了一种水系电解液及水系金属离子电池，以期解决上述技术问题。
[0008]本专利技术提供了一种水系电解液，包括水、电解质盐和稀释剂；其中，电解质盐包括锂盐、钠盐、钾盐、锌盐中的任意一种或多种；稀释剂包括二氧六环类化合物。
[0009]根据本专利技术实施例，稀释剂包括1，3
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二氧六环、带有一个第一取代基的单取代1，3
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二氧六环、带有两个第一取代基的双取代1，3
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二氧六环、带有三个第一取代基的三取代1，3
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二氧六环、带有四个第一取代基的全取代1，3
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二氧六环中的任意一种或多种。
[0010]根据本专利技术实施例，第一取代基包括氟、氯、溴、碘、醇羟基、苄醇羟基、腈基、甲酰基、苄氯基、烷基、烷氧基、氨基、亚氨基、叔氨基中的任意一种。
[0011]根据本专利技术实施例，稀释剂包括1，4二氧六环、带有一个第二取代基的单取代1，4
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二氧六环、带有两个第二取代基的双取代1，4
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二氧六环、带有三个第二取代基的三取代1，4
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二氧六环、带有四个第二取代基的全取代1，4
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二氧六环中的任意一种或多种。
[0012]根据本专利技术实施例，第二取代基包括氟、氯、溴、碘、醇羟基、苄醇羟基、腈基、甲酰基、苄氯基、烷基、烷氧基、氨基、亚氨基、叔氨基、苯基中的任意一种。
[0013]根据本专利技术实施例，锂盐包括硫酸锂、硝酸锂、乙酸锂、高氯酸锂、氯化锂、三氟甲基磺酸锂、双(三氟甲烷磺酸)亚胺锂、双(五氟乙基磺酰基)亚氨基锂中的任意一种或多种。
[0014]根据本专利技术实施例，钠盐包括高氯酸钠、乙酸钠、硝酸钠、氯化钠、硫酸钠、三氟甲基磺酸钠、双(三氟甲烷磺酸)亚胺钠、双(五氟乙基磺酰基)亚氨基钠中的任意一种或多种。
[0015]根据本专利技术实施例，钾盐包括硝酸钾、乙酸钾、硫酸钾、氯化钾、三氟甲基磺酸钾、双(三氟甲烷磺酸)亚胺钾、双(五氟乙基磺酰基)亚氨基钾中的任意一种或多种。
[0016]根据本专利技术实施例，锌盐包括三氟甲基磺酸锌、硫酸锌、氯化锌、醋酸锌、双(三氟甲磺酰基)亚胺锌中的任意一种或多种。
[0017]本专利技术还提供了一种采用上述水系电解液的水系金属离子电池。
[0018]本专利技术涉及的水系电解液中的稀释剂，由于其分子结构特性，可以与水分子之间形成氢键，使电解液的析氢电位降低。同时，稀释剂的低介电常数，降低了电解液粘度，形成了局域高浓度的溶剂化结构，提升了电解液润湿性。
[0019]采用本专利技术提供的水系电解液的水系金属离子电池，电解液的粘度低，电解液的温度范围宽，在较低的温度下具有较高的离子电导率，因此能够在低于零摄氏度的温度条件下运行电池。
附图说明
[0020]图1是实施例1中高浓度水系电解液和实施例2中局域高浓度水系电解液的粘度对比图；
[0021]图2是实施例3中水系锂离子电池在实施例1配置的高浓度水系电解液下的库伦效率与在实施例2配置的局域高浓度水系电解液下的库伦效率的对比图的倍率性能图；
[0022]图3是实施例3中水系锂离子电池在实施例1配置的高浓度水系电解液下的库伦效率与在实施例2配置的局域高浓度水系电解液下的库伦效率的对比图的循环性能图；
[0023]图4是实施例4中高浓度水系电解液和实施例5中局域高浓度水系电解液的粘度对比图；
[0024]图5是实施例6中锌
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铜半电池在实施例4配置的高浓度水系电解液下的库伦效率与在实施例5配置的局域高浓度水系电解液下的库伦效率的对比图。
具体实施方式
[0025]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。
[0026]本专利技术提供了一种水系电解液，包括水、电解质盐和稀释剂；其中，电解质盐包括锂盐、钠盐、钾盐、锌盐中的任意一种或多种；稀释剂包括二氧六环类化合物。
[0027]根据本专利技术实施例，水与稀释剂的摩尔比可以是1∶0.1～9，例如：1∶0.1；1∶0.3；1∶0.5；1∶1；1∶2；1∶3；1∶4；1∶5；1∶6；1∶7；1∶8；1∶9。
[0028]根据本专利技术实施例，水系电解液中电解质盐的浓度可以是0.5～27mol/Kg，例如：0.5mol/Kg、1mol/Kg、5mol/Kg、9mol/Kg、15mol/Kg、19mol/Kg、2lmol/Kg、27mol/Kg。
[0029]二氧六环类化合物由于其分子结构特性，可以与水分子之间形成氢键，随着二氧六环类化合物浓度的增加，水分子中的O
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H键与二氧六环类化合物中C
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O
…
H
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O之间的氢键相互作用，确保了非极性的二氧六环类化合物可与高浓度水系电解液中的水混溶。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水系电解液，包括：水、电解质盐和稀释剂；其中，所述电解质盐包括锂盐、钠盐、钾盐、锌盐中的任意一种或多种；所述稀释剂包括二氧六环类化合物。2.根据权利要求1所述的水系电解液，所述稀释剂包括1，3
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二氧六环、带有一个第一取代基的单取代1，3
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二氧六环、带有两个第一取代基的双取代1，3
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二氧六环、带有三个第一取代基的三取代1，3
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二氧六环、带有四个第一取代基的全取代1，3
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二氧六环中的任意一种或多种。3.根据权利要求2所述的水系电解液，所述第一取代基包括氟、氯、溴、碘、醇羟基、苄醇羟基、腈基、甲酰基、苄氯基、烷基、烷氧基、氨基、亚氨基、叔氨基中的任意一种。4.根据权利要求1所述的水系电解液，所述稀释剂包括1，4二氧六环、带有一个第二取代基的单取代1，4
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二氧六环、带有两个第二取代基的双取代1，4
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二氧六环、带有三个第二取代基的三取代1，4
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二氧六环、带有四个...

【专利技术属性】
技术研发人员：任晓迪，年庆舜，陈顺强，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：