[发明专利]一种水系电解液及水系金属离子电池

说明书

本发明提供了一种水系电解液，包括无机盐、水和稳定剂；所述稳定剂为尿素和/或二甲基砜；所述无机盐为钠盐、锂盐和钾盐中的一种或几种。本发明在将无机盐与稳定剂按照一定比例与水混合得到液体水系电解液，极大地降低了电解液中水的活性，极大程度抑制电极反应过程中析氢/析氧副反应的发生，同时保持电解液中较高的无机盐浓度，所构成的水系电解液具有稳定的电极/电解质界面，具有良好的导电效果，同时具有较大的电化学窗口。实验结果表明，将本发明提供的水系电解液，其电化学窗口均可大于3.5V；由本发明中的水系电解液制成的水系金属离子电池容量保持率为95.5～99.7％，库伦效率为99.5～99.9％。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种水系电解液及水系金属离子电池。

背景技术

随着化石能源的不断消耗及人类发展对能源需求的不断增加，发展可再生能源势在必行，将间歇式能源如太阳能、风能、潮汐能转变为持续供能能源是发展可再生能源，缓解能源危机和环境压力的关键，因此储能装置成为研究热点。二次电池因其高能量密度、长循环寿命、高电压等特性而得到广泛关注。然而传统的二次电池(镍氢电池、锂离子电池)采用有机电解液，电池存在易燃、有毒、制作成本高、组装条件要求严格等缺点，容易造成环境污染，不利于环境的可持续发展。而采用水系电解液代替有机电解液可以有效地解决上述问题，且应用前景广阔。

然而，由于水本身分解电压低(1.23V)，其电化学窗口很难超过2.0V，所以水系金属离子电池的工作电压普遍低于2.0V，导致水系电池的能量密度较低。除此之外，与有机电解质相比，水系金属离子电池电极材料在水系电解质溶液中的电极反应极为复杂，而且随着析氢析氧等副反应的发生，电解液的pH不断发生变化，因而，水系锂离子电池的容量在充放电循环过程中衰减很快。尽管已经有很多水系锂离子电池被报道，比如有VO₂/LiMn₂O₄、LiV₃O₈/LiNi_0.81Co_0.19O₂、TiP₂O₇/LiMn₂O₄、LiTi₂(PO₄)₃/LiMn₂O₄、LiV₃O₈/LiCoO₂和LiTi₂(PO₄)₃/LiFePO₄等，但是这些电池普遍都存在容量衰减快，材料易分解等缺陷。

解决上述问题的方法之一就是改善电解液的性能。2015年，马里兰大学的Wang研究组提出采用“water-in-salt”概念，即：采用超高浓度LiTFSI水溶液(20M)做电解液，该电解液极大地降低了水的活度，缓解了水在低电势条件下的析氢反应。以Mo₆S₈为负极，LiMn₂O₄为正极，构建了充电电压高达2.3V的水系锂离子电池。2012年，Watanabe研究组提出了“Molecular Solvents”概念，为发展新的新型水系电解液提供了新思路。虽然上述电解液都实现了高电压，但是普遍还存在材料溶解、以及容量保持率或库伦效率低的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水系电解液及水系金属离子电池，本发明中的水系电解液具有良好的导电效果，容量保持率和库伦效率均较高。

本发明提供一种水系电解液，包括无机盐、水和稳定剂；

所述稳定剂为尿素和/或二甲基砜；

所述无机盐为钠盐、锂盐和钾盐中的一种或几种。