【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于储能电池领域，具体涉及一种钠/钾离子电池电解液的设计策略及其应用。
技术介绍
1、当前，锂离子电池已进入商业化应用阶段。然而，锂资源在地壳中含量短缺且分布不均，导致生产成本较高，制约了其在大规模领域的进一步发展。钠/钾离子电池作为一种新兴的储能技术，由于具有竞争力的成本效益和可持续的资源供应，在电网和其他储能应用领域中备受瞩目。电解液作为电池的主要组成部分，具有连接电池内部的正极和负极传导离子的作用。它对于电池的能量密度、工作温度、循环寿命和安全性等性能都具有十分重要的影响。然而，随着电池应用领域的不断拓宽，对电池稳定性提出了更高的要求，传统的电解液体系已无法满足电池的需求。因此设计新型电解液体系，对推动钠/钾离子电池实用化具有重要意义。
2、本课题组前期开发的酰胺类电解液(一种高稳定性的钾离子电池酰胺类电解液及其应用：zl202210046524.9)和醚类电解液(一种高电压钾离子电池醚类电解液及其应用：cn116072973b)，均采用“盐中溶剂”的方法，通过提高电解液浓度，对电解液界面膜成分的调控，从而实现了对电池的优化。目前主要的电解液体系如高浓度(hce)电解液和局部高浓度电解液(lhce)都是使用高盐策略，通过促进阴离子分解构筑富含无机物的界面钝化膜，来抑制界面副反应，缓冲体积波动提升电化学性能。然而高盐策略存在成本高，离子扩散动力学缓慢等问题。因此，开发一种高性能钠/钾离子电池电解液的具体策略对促进二次离子电池的商业化发展起到重要作用。
技术实现思路p>
1、本专利技术的目的为针对当前技术中存在的局限，提供一种高性能钠/钾离子电池电解液及其应用。该电解液将能微解离金属盐的弱极性溶剂(2<介电常数ε<10)+不能解离金属盐的非极性溶剂的组合，与引入到电解液体系中，利用两种或多种共溶剂间的相互作用(氢键以及范德华力)，使得非极性溶剂进入到初级溶剂化壳层，在不改变电解液原有浓度的基础上也使得更多的阴离子参与溶剂化鞘层，增加了离子电导率。同时弱化阳离子与溶剂的溶剂化作用，强化阴离子与阳离子的结合力，在低浓度体系中形成与高浓度电解液体系中相似的三维网络结构，促进阴离子分解形成稳定的界面膜，提升电池的整体性能。本专利技术通过简单的设计策略，可以快速得到高性能钠/钾离子电池电解液，有效提高钠/钾电池的倍率性能，能量密度，改善电池的循环性能，提高电池循环寿命，达到满足各类储能电池的设计要求。
2、为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种高性能钠/钾离子电池电解液，该电解液包括电解质、弱极性溶剂和非极性溶剂；其中，弱极性溶剂占溶剂体积分数的10％～50％，非极性溶剂占溶剂体积分数的90％～50％，电解液浓度0.5mol l-1～5mol l-1；
4、所述的弱极性溶剂是介电常数ε为2～10的有机溶剂；所述的非极性溶剂为不能解离金属盐的有机溶剂；
5、所述的弱极性溶剂为1,3-二氧戊烷(dol)、环戊基甲基醚(cpme)、四氢呋喃(thf)、乙二醇二甲醚(dme)、二乙二醇二甲醚(g2)、四(乙二醇)二甲醚(g4)或乙二醇二乙醚(dee)的一种；
6、所述的非极性溶剂为乙二醇二丁醚(dbe)、二乙二醇二乙醚(e2)、二乙二醇二丁醚(b2)、乙二醇二己醚(bee)、二丙二醇甲醚(dpm)、戊基乙基醚(epe)和正已基正辛醚(hoe)中的一种或多种。
7、所述的电解质为双氟磺酰亚胺钠(钾)、三氟甲基磺酸钠(钾)、六氟磷酸钠(钾)、高氯酸钠(钾)、双三氟甲磺酰亚胺钠(钾)和四氟硼酸钠(钾)中的一种或多种。
8、优选地，弱极性溶剂和非极性溶剂的体积比为1:1～5。
9、所述电解液中电解质、有机溶剂与添加剂均为分析纯，纯度≧99.5％，水分≦1ppm，其它杂质离子含量均小于1ppm。
10、所述的高性能钠/钾离子电池电解液得制备方法，包括如下步骤：
11、将弱极性溶剂和非极性溶剂按照体积比制备混合溶剂，随后把电解质溶于混合溶剂，震荡器震荡10～15小时,得到所需电解液；
12、所述的高性能钠/钾离子电池电解液的应用，用于钠离子电池或钾离子电池中作为电解液；
13、所述的钠/钾离子电池中，正极是由质量分数50％～85％的正极材料，10％～30％的导电剂以及5％～20％的粘结剂组成，所述的质量分数是相对于正极总质量的质量分数。
14、所述的正极材料为聚阴离子型正极材料或层状过渡金属氧化物或有机正极材料。
15、所述的聚阴离子型正极材料为氟代磷酸钒钠/钾，磷酸钒钠/钾；层状过渡金属氧化物正极材料为镍酸钠/钾和锰酸钠/钾；有机正极材料如：3,4,9,10-四羧酸酐(ptcda)或3,4,9,10-花四羧酸二酰亚胺(ptcdi)。
16、所述的钠/钾离子电池中，负极是由质量分数60％～90％的负极材料，5％～20％的导电剂以及5％～20％的粘结剂组成，所述的质量分数是相对于负极总质量的质量分数。
17、所述的负极材料为硬碳、石墨、软碳、无定形碳或纳米碳。
18、所述的粘结剂为聚偏氟乙烯(pvdf)、丁苯橡胶(sbr)乳液或羧甲基纤维素(cmc)。
19、所述的隔膜为pe(聚乙烯)、pp(聚丙烯)、聚酰亚胺膜(pi)或玻璃纤维。
20、所述的钠/钾离子电池由以上所述的正极：聚阴离子型正极材料为氟代磷酸钒钠/钾，磷酸钒钠/钾；层状过渡金属氧化物正极材料为镍酸钠/钾和锰酸钠/钾；有机正极材料如：3,4,9,10-四羧酸酐(ptcda)或3,4,9,10-花四羧酸二酰亚胺(ptcdi)。负极：硬碳、石墨、软碳、无定形碳或纳米碳组成。
21、所述的钠/钾离子电池具体为纽扣电池、软包电池或圆柱电池。
22、本专利技术的实质性特点为：
23、当前技术中，电解液溶剂采用混合有机溶剂的，类型主要是极性溶剂+极性溶剂，其目的是通过两种溶剂之间的物理性质互补(例：ec的高介电常数和dec的低粘度)，提供较高的电导率，较好的化学稳定性；
24、本专利技术创造性地将电解液的溶剂采用弱极性溶剂+非极性溶剂的组合，是因为专利技术人经过研究发现，弱极性溶剂+非极性溶剂之间有相互作用氢键以及范德华力，能极大地改变电解液中的溶剂化结构；主溶剂与非极性的辅溶剂结合，通过溶剂之间的协同竞争机制能够降低弱极性溶剂与碱金属离子的配位效果，强化碱金属离子与阴离子之间的相互作用，这样就可以在不加入碱金属盐的情况下能增加盐在弱极性溶剂的溶解度，还能使不溶解碱金属盐的非极性溶剂能够溶解碱金属盐；在进一步降低溶剂的去溶剂化能的同时生成阴离子衍生的固体电解质界面膜，使得电解液具有较好的动力学特征，综合提升所述钠/钾离子电池器件的循环性能。
25、本专利技术可以明显提升电解液离子电导率，溶剂之间的相互作用会明显影响电解液内部的溶剂化结构，促进阴离子进入鞘层，而这种结构与高浓度电解液类似，却本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高性能钠/钾离子电池电解液，其特征为该电解液包括电解质、弱极性溶剂和非极性溶剂；其中，弱极性溶剂占溶剂体积分数的10％～50％，非极性溶剂占溶剂体积分数的90％～50％，电解液浓度0.5mol L-1～5mol L-1；
2.如权利要求1所述的高性能钠/钾离子电池电解液，其特征为所述的电解质为双氟磺酰亚胺钠(钾)、三氟甲基磺酸钠(钾)、六氟磷酸钠(钾)、高氯酸钠(钾)、双三氟甲磺酰亚胺钠(钾)和四氟硼酸钠(钾)中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的高性能钠/钾离子电池电解液，其特征为弱极性溶剂和非极性溶剂的体积比为1:1～5。
4.如权利要求1所述的高性能钠/钾离子电池电解液，其特征为所述电解液中电解质、有机溶剂与添加剂均为分析纯，纯度≧99.5％，水分≦1ppm，其它杂质离子含量均小于1ppm。
5.如权利要求1所述的高性能钠/钾离子电池电解液得制备方法，其特征为包括如下步骤：
6.如权利要求1所述的高性能钠/钾离子电池电解液的应用，其特征为用于钠离子电池或钾离子电池中作为电解液。
7.如权利要求
8.如权利要求7所述的高性能钠/钾离子电池电解液的应用，其特征为所述的聚阴离子型正极材料为氟代磷酸钒钠/钾，磷酸钒钠/钾；层状过渡金属氧化物正极材料为镍酸钠/钾和锰酸钠/钾；有机正极材料如：3,4,9,10-四羧酸酐(PTCDA)或3,4,9,10-花四羧酸二酰亚胺(PTCDI)；
9.如权利要求7所述的高性能钠/钾离子电池电解液的应用，其特征为所述的粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)、丁苯橡胶(SBR)乳液或羧甲基纤维素(CMC)；
10.如权利要求7所述的高性能钠/钾离子电池电解液的应用，其特征为所述的钠离子电池的正极材料为氟代磷酸钒钠、磷酸钒钠、镍酸钠、锰酸钠、3,4,9,10-四羧酸酐(PTCDA)或3,4,9,10-花四羧酸二酰亚胺(PTCDI)；负极为硬碳、石墨、软碳、无定形碳或纳米碳；
...【技术特征摘要】
1.一种高性能钠/钾离子电池电解液，其特征为该电解液包括电解质、弱极性溶剂和非极性溶剂；其中，弱极性溶剂占溶剂体积分数的10％～50％，非极性溶剂占溶剂体积分数的90％～50％，电解液浓度0.5mol l-1～5mol l-1；
2.如权利要求1所述的高性能钠/钾离子电池电解液，其特征为所述的电解质为双氟磺酰亚胺钠(钾)、三氟甲基磺酸钠(钾)、六氟磷酸钠(钾)、高氯酸钠(钾)、双三氟甲磺酰亚胺钠(钾)和四氟硼酸钠(钾)中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的高性能钠/钾离子电池电解液，其特征为弱极性溶剂和非极性溶剂的体积比为1:1～5。
4.如权利要求1所述的高性能钠/钾离子电池电解液，其特征为所述电解液中电解质、有机溶剂与添加剂均为分析纯，纯度≧99.5％，水分≦1ppm，其它杂质离子含量均小于1ppm。
5.如权利要求1所述的高性能钠/钾离子电池电解液得制备方法，其特征为包括如下步骤：
6.如权利要求1所述的高性能钠/钾离子电池电解液的应用，其特征为用于钠离子电池或钾离子电池中...
【专利技术属性】
技术研发人员：雷凯翔，杨倩，石硕，张瑜，陈卓，尹筱语，郑士建，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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