极性小分子电解液及其制备与应用，高电压水系二次电池及其组装方法技术

本发明专利技术提供了一种极性小分子电解液及其制备与应用，高电压水系二次电池及其组装方法，所述极性小分子电解液包括含有羟基或酰胺基团的极性小分子、电解质和水；以所述含有羟基或酰胺基团的极性小分子和水的总重量为100％计，含有羟基的极性小分子的质量分数范围为20

【技术实现步骤摘要】
极性小分子电解液及其制备与应用，高电压水系二次电池及其组装方法


[0001]本专利技术涉及一种极性小分子电解液及其制备与应用，高电压水系二次电池及其组装方法，属于电化学储能


技术介绍

[0002]电解液在电化学储能系统中起着至关重要的作用，特别是在水系二次电池中。水分子之间氢键网络的存在，使得氢离子和氢氧根离子通过跳跃机制实现超快扩散，更容易转移到电极表面进行氧化还原反应。此外，稀电解液溶剂鞘结构中的阳离子被超过4个水分子包围，导致与水相关的副反应的发生。因此，水系电解液的电化学稳定窗口(ESW)严重受限于析氢和析氧反应。
[0003]拓宽ESW的关键是改变载流子的溶剂鞘结构(因为溶剂鞘结构与界面化学有密切的联系)同时打破水分子之间的氢键网络，从而降低水分子的活性。实现这些目标的有效策略之一是通过“盐包水”(WiS)概念。超高浓度的盐打破了水分子之间的氢键网络，大大缩短了阳离子和阴离子之间的距离，导致阳离子和阴离子以接触离子对的形式存在。此外，考虑到阴离子在极性质子溶剂(如水溶液)中的溶剂化能远高于在极性非质子溶剂中的溶剂化能，阴离子参与到溶剂鞘结构中，降低了溶剂鞘内水分子的数量，而这有利于消除与水有关的副反应。近年来，基于WiS概念的高电压水电池电解液的研究得到了广泛的应用，包括LiTFSI(见Wang F,et al.Highly reversible zinc metal anode for aqueous batteries.Nat.Mater.17,543
‑
549(2018).)、LiOtf(Yang C,et al.4.0V Aqueous Li
‑
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in
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salt”solutions as green and low
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cost high voltage electrolytes for aqueous batteries.Energy Environ.Sci.11,2876
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hnel R S,et al.A High
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Voltage Aqueous Electrolyte for Sodium
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Energy Aqueous Sodium
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Ion Batteries.Angew.Chem.Int.Ed.60,11943
‑
11948(2021).)、ZnCl2(Zhang Q,et al.Modulating electrolyte structure for ultralow temperature aqueous zinc batteries.Nat.Commun.11,4463(2020).)等，极大地推动了高能水系电池的快速发展。然而，WiS电解液存在成本高、电解液环境过酸或过碱等问题，严重影响了其实际应用。
[0004]因此，有必要探索一种经济、环保的策略来开发具有宽ESW的电解液，并将其用于高电压水系二次电池中。

技术实现思路

[0005]为了解决上述的缺点和不足，本专利技术的一个目的在于提供一种极性小分子电解液。
[0006]本专利技术的另一个目的还在于提供以上所述极性小分子电解液的制备方法。
[0007]本专利技术的又一个目的还在于提供以上所述极性小分子电解液作为高电压水系二次电池所用电解液的应用。
[0008]本专利技术的再一个目的还在于提供一种高电压水系二次电池，其中，所述高电压水系二次电池的电解液为以上所述的极性小分子电解液。
[0009]本专利技术的最后一个目的还在于提供以上所述高电压水系二次电池的组装方法。
[0010]为了实现以上目的，一方面，本专利技术提供了一种极性小分子电解液，其中，所述极性小分子电解液包括含有羟基或酰胺基团的极性小分子、电解质和水；
[0011]以所述含有羟基或酰胺基团的极性小分子和水的总重量为100％计，含有羟基的极性小分子的质量分数范围为20
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97.5％，含有酰胺基团的极性小分子的质量分数范围为20
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70％。
[0012]作为本专利技术以上所述电解液的一具体实施方式，其中，所述含有羟基或酰胺基团的极性小分子包括丙烯酰胺、丁四醇和甘油中的一种或几种的组合。
[0013]作为本专利技术以上所述电解液的一具体实施方式，其中，所述电解质包括锂盐、钠盐和锌盐中的一种或几种的组合。
[0014]作为本专利技术以上所述电解液的一具体实施方式，其中，所述锂盐包括三氟甲磺酸锂、双(三氟甲磺酰亚胺)锂、醋酸锂、硫酸锂、硝酸锂中的一种。
[0015]作为本专利技术以上所述电解液的一具体实施方式，其中，所述钠盐包括三氟甲磺酸钠、双(三氟甲磺酰亚胺)钠、乙酸钠、硫酸钠、硝酸钠中的一种。
[0016]作为本专利技术以上所述电解液的一具体实施方式，其中，所述锌盐包括三氟甲磺酸锌、双(三氟甲磺酰亚胺)锌、硫酸锌、硝酸锌中的一种。
[0017]作为本专利技术以上所述电解液的一具体实施方式，其中，所述电解液包括丙烯酰胺、锂盐和/或锌盐和去离子水；
[0018]其中，以所述丙烯酰胺和去离子水的总体积计，所述锂盐的浓度范围为0.5
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2mol/L，所述锌盐的浓度范围为0.5
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2mol/L；以所述丙烯酰胺和去离子水的总重量为100％计，所述丙烯酰胺的质量分数范围为33.3
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68.3％。
[0019]作为本专利技术以上所述电解液的一具体实施方式，其中，所述电解液包括丁四醇、钠盐和去离子水；
[0020]其中，以所述丁四醇和去离子水的总体积计，所述钠盐的浓度范围为0.5
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2mol/L；以所述丁四醇和去离子水的总重量为100％计，所述丁四醇的质量分数范围为20.0
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37.9％。
[0021]作为本专利技术以上所述电解液的一具体实施方式，其中，所述电解液包括甘油、锂盐和去离子水；
[0022]其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种极性小分子电解液，其特征在于，所述极性小分子电解液包括含有羟基或酰胺基团的极性小分子、电解质和水；以所述含有羟基或酰胺基团的极性小分子和水的总重量为100％计，含有羟基的极性小分子的质量分数范围为20
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97.5％，含有酰胺基团的极性小分子的质量分数范围为20
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70％。2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述含有羟基或酰胺基团的极性小分子包括丙烯酰胺、丁四醇和甘油中的一种或几种的组合。3.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述电解质包括锂盐、钠盐和锌盐中的一种或几种的组合。4.根据权利要求3所述的电解液，其特征在于，所述锂盐包括三氟甲磺酸锂、双(三氟甲磺酰亚胺)锂、醋酸锂、硫酸锂、硝酸锂中的一种。5.根据权利要求3所述的电解液，其特征在于，所述钠盐包括三氟甲磺酸钠、双(三氟甲磺酰亚胺)钠、乙酸钠、硫酸钠、硝酸钠中的一种。6.根据权利要求3所述的电解液，其特征在于，所述锌盐包括三氟甲磺酸锌、双(三氟甲磺酰亚胺)锌、硫酸锌、硝酸锌中的一种。7.根据权利要求1
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6任一项所述的电解液，其特征在于，所述电解液包括丙烯酰胺、锂盐和/或锌盐和去离子水；其中，以所述丙烯酰胺和去离子水的总体积计，所述锂盐的浓度范围为0.5
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2mol/L，所述锌盐的浓度范围为0.5
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2mol/L；以所述丙烯酰胺和去离子水的总重量为100％计，所述丙烯酰胺的质量分数范围为33.3
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68.3％。8.根据权利要求1
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6任一项所述的电解液，其特征在于，所述电解液包括丁四醇、钠盐和去离子水；其中，以所述丁四醇和去离子水的总体积计，所述钠盐的浓度范围为0.5
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2mol/L；以所述丁四醇和去离子水的总重量为100％计，所述丁四醇的质量分数范围为20.0
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37.9％。9.根据权利要求1
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6任一项所述的电解液，其特征在于，所述电解液包括甘油、锂盐和去离子水；其中，以所述甘油和去离子水的总体积计，所述锂盐的浓度范围为0.5
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2mol/L；以所述甘油和去离子水的总重量为100％计，所述甘油的质量分数范围为91.2
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97.5％。10.权利要求1
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9任一项所述的极性小分子电解液的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将含有羟基或酰胺基团的极性小分子、电解质和水混合后即得到所述极性小分子电解液。11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括：将含有羟基或酰胺基团的极性小分子加入水中后再加入电解质，即得到所述极性小分子电解液。12.权利要求1
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9任一项所述的极性小分子电解液作为高电压水系二次电池所用电解液的应用。13.一种高电...

【专利技术属性】
技术研发人员：支春义，黄兆东，李新亮，
申请(专利权)人：香港城市大学，
类型：发明
国别省市：