水系锂离子电池用水-烷类电解液及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种水

【技术实现步骤摘要】
水系锂离子电池用水
‑
烷类电解液及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种水系锂离子电池用基于高电压水
‑
烷类混合电解液及其制备方法与应用，属于锂二次电池


技术介绍

[0002]非水系锂离子电池(LIBs)以其高能量密度(250～400Wh/kg)和稳定的循环寿命而成为电子设备和电动汽车的主要储能技术。然而，其使用有机电解质引起了严重的安全问题。使用不易燃的水系电解质代替易燃的非水电解质是缓解锂离子电池安全隐患和减少材料和制造成本的主要途径。但由于水系锂离子电池的电压窗口受到水的电化学稳定性的限制，制约了锂离子电池的能量密度。同时水的分解产物为氢气和氧气，不能在负极形成固体电解质界面(SEI)膜进行动力学保护。因此，开发具有宽电压窗口、低成本和高安全性水系电解质对于实现高能量密度和可持续的锂离子电池至关重要。
[0003]2015年，马里兰大学王春生教授课题组首次提出“盐包水”电解质(WiSE)策略，将水系电池的电化学稳定性窗口扩展至3.0V，显著提高了水系电池的工作电压和能量密度。与传统水系电解质(摩尔浓度为1mol L
‑1)相比，以20
‑
30mol kg
‑1(m)高摩尔浓度为特征的盐包水电解质可以有效降低水活性并促进固体电解质界面SEI的形成。随后，他们通过在21m WiSE中引入7m三氟甲磺酸锂(LiOTf)，将锂盐浓度增加到28m，得到了高浓度“Water
‑
in
‑
bisalt”电解液，进一步拓宽了电化学窗口。在此之前，水系电池中的SEI膜研究一直是一个盲点。即使应用高浓Li2SO4、LiNO3电解液，也从未发现有SEI膜的生成。因此，通过提高盐浓度实现溶剂
‑
离子相互作用调制降低水的电化学活性并实现SEI离子导体钝化膜，对水系电解液的稳定性以及电化学稳定窗口的进一步拓宽有至关重要的作用。
[0004]然而，这些常规的电解液(稀电解液或高浓电解液)仍然存在一些固有缺陷。例如：(1)伴随着电解液盐浓度的不断提升，电解液粘度急速上升，电导率快速下降，导致超高盐浓度电解液的动力学性能和离子传导性变差；(2)电解液较高的阴极电位仍不能满足商用低电位负极材料的使用；(3)循环过程中锂离子嵌入电极材料时，电极体积的明显波动，SEI容易破裂，导致电解液腐蚀电极材料。同时，溶剂化的锂离子会经历经典的去溶剂化过程，因而产生大量高反应活性的溶剂分子。高能态的溶剂分子与电极接触，导致电池体系的电化学稳定窗口变窄，并使得电解液—电极界面变得不稳定。(4)高浓度电解液中通常采用的氟化有机盐使得电解液的成本高昂，难以产业化应用。
[0005]因此，如何在宽电位电解液中实现优异的动力学性能和低成本，成为了水系电解液和水系二次电池面临的关键技术挑战。针对上述问题，确有必要寻找并合成一种兼具有优良电化学性能及安全性能的水系电解液。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种水系锂离子电池用基于高电压水
‑
烷类混合电解液及其制备方法与应用。
[0007]本专利技术水系锂离子电池用基于高电压水
‑
烷类混合电解液是由锂盐、水以及烷类有机溶剂混合得到的电解液。本专利技术通过将水与烷类电解液进行混合，提出了一种利用空间位阻效应来调谐Li
+
离子溶剂化结构的设计原理。具有大尺寸乙氧基基团的烷类溶剂与Li
+
有较弱的溶剂化能力，能有效降低溶剂分子与锂离子的溶剂化强度，从而使电解质具有更多的富含阴离子的内部溶剂化壳，促进TFSI
‑
阴离子分解生成稳定、坚固的SEI钝化层，增强电极/电解质的界面稳定性，有效抑制水的析氢反应。
[0008]本专利技术所述中水系电解液的制备过程简单，所使用的都是常规设备，原材料易得，且安全无污染，适合大规模批量生产。
[0009]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。
[0010]本专利技术提供的一种水系锂离子电池用基于高电压水
‑
烷类混合电解液，该电解液是由锂盐、水以及烷类有机溶剂混合制成。
[0011]上述的电解液中，所述的电解液中所述锂盐的质量摩尔浓度可为0.01～5m(即0.01～5mol/kg)，具体可为1m、2m、3m、4m、5m或0.01～5m；
[0012]所述水与所述烷类有机溶剂的摩尔质量比可为0.5:1～3:1，具体可为0.56:1、1.19:1、1.88:1或2.67:1。
[0013]上述的电解液中，所述锂盐选自LiN(SO2CF3)2、LiCF3SO3、LiC(SO2CF3)3、LiBOB、LiMOB、LiBMB、LiODFB中的至少一种。
[0014]本专利技术中，所述烷类有机溶剂即为含有乙氧基的烷烃有机化合物。
[0015]上述的电解液中，所述烷类有机溶剂选自四乙氧基甲烷、二乙氧基甲烷、四乙氧基丙烷、1,2
‑
二乙氧基乙烷、1,1
‑
二乙氧基乙烷、1,1
‑
二乙氧基
‑2‑
甲基丁烷、1,1
‑
二乙氧基
‑3‑
甲基丁烷和四氰乙氧基甲基甲烷中的一种或一种以上。
[0016]本专利技术提供的上述的电解液的制备方法，包括下步骤：(1)在惰性气氛中，将所述烷类有机溶剂与所述水混合，得到水
‑
烷混合溶剂；
[0017](2)在所述惰性气氛中，将所述锂盐于所述水
‑
烷混合溶剂混合，即得到水系锂离子电池用基于高电压水
‑
烷类混合电解液。
[0018]上述的制备方法中，所述惰性气氛为纯度不小于99％的氮气或氩气(或者含O2量＜1ppm)。
[0019]本专利技术所述的水系锂离子电池用基于高电压水
‑
烷类混合电解液应用于制备水系锂离子电池中。
[0020]上述的应用中，所述水系锂离子电池的正极活性物质为LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4或LiNi
0.5
Mn
1.5
O4，负极活性物质为Li4Ti5O
12
。
[0021]上述的应用中，所述水系锂离子电池用基于高电压水
‑
烷类混合电解液和所述水系锂离子电池的测试的环境温度均可为
‑
50℃～30℃。
[0022]本专利技术进一步提供了一种水系锂离子电池，该水系锂离子电池包括正极、负极和电解液；
[0023]所述正极的活性物质为LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4或LiNi
0.5
Mn
1.5
O4，所述负极的活性物质为Li4Ti5O
12
；
[0024]所述电解液为上述的水系锂离子电池用基于高电压水
‑
烷类混合电解液。
[0025]上述的水系锂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水系锂离子电池用基于高电压水
‑
烷类混合电解液，其特征在于：所述高电压水
‑
烷类混合电解液是由锂盐、水以及烷类有机溶剂混合得到的电解液，具有宽的电化学稳定窗口，以及较好的室温/低温循环稳定性。2.根据权利要求1所述的一种锂电池用基于水
‑
烷类的混合电解液，其特征在于：所述锂盐为LiN(SO2CF3)2、LiCF3SO3、LiC(SO2CF3)3、LiBOB、LiMOB、LiBMB、LiODFB中的一种以上。3.根据权利要求1所述的一种锂电池用基于水
‑
烷类的混合电解液，其特征在于：所述有机物选用含有乙氧基的有机化合物。4.根据权利要求3所述的一种锂电池用基于水
‑
烷类的混合电解液，其特征在于：所述有机化合物为四乙氧基甲烷、二乙氧基甲烷、四乙氧基丙烷、1,2
‑
二乙氧基乙烷、1,1
‑
二乙氧基乙烷、1,1
‑
二乙氧基
‑2‑
甲基丁烷、1,1
‑
二乙氧基
‑3‑
甲基丁烷、四氰乙氧基甲基甲烷中的一种或一种以上。5.一种如权利要求1至4任一项所述的锂电池用基于水
‑
烷类混合电解液的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：(1)在充满保护气体的手套箱中，将烷类溶剂与水以一定比例互溶并搅拌均匀，得到水
‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈人杰，尚妍欣，陈楠，陈实，吴锋，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：