[发明专利]具有低温工作特性的水系凝胶态电解质、极片添加剂以及固态钠离子电池

说明书

本发明公开一种具有低温工作特性的水系凝胶态电解质、极片添加剂以及固态钠离子电池。所述水系凝胶态电解质包括具有凝胶导通离子效应的气相二氧化硅及其上负载的硫酸盐电解质，所述水系凝胶态电解质的制备方法包括：在硫酸盐水系电解液中加入气相二氧化硅和甲醇得到凝胶态电解质；其中，所述硫酸盐水系电解液中硫酸盐的浓度为0.5‑3mol/L，所述气相二氧化硅与硫酸盐水系电解液中的硫酸根的摩尔比为（1~5）：1，优选：（1.5~2.5）：1；所述硫酸盐水系电解液与甲醇的体积比为（1~10）：1，优选（1~2）：1。

技术领域

本发明属于水系钠离子电池技术领域，具体涉及具有低温工作特性的水系凝胶态电解质、极片添加剂以及固态钠离子电池。

背景技术

随着经济的高速发展，整个社会对能源的依存度越来越高，国家正在大力推进以储能技术为关键环节的智能电网建设。但是，对于有机系钠离子电池，由于装配条件苛刻、生产成本较高、电解液是有机易燃组分导致存在潜在的安全性等问题，限制了钠离子电池的应用。如果将有机电解液替换成水溶液，可以解决钠离子电池的安全性问题，而且不需要严格的装配环境，大大降低生产成本，更加符合大规模储能的应用需求。基于水系电解液的储能电池，能在常温下运行，充放电效率高且无需复杂电池管理系统，原材料安全、环保，非常适合在静置型规模电力储能领域应用，是一类具有发展潜力的规模储能技术。然而在低温下，水系电池存在电解液容易结冰、电解质析出等问题，严重影响了水系电池在储能方面的应用。

水系电解液低温性能不佳的关键原因在于电解质的析晶和电解液的冻结。一方面，由于工业上常用硫酸钠的低温溶解度不高，造成电解质析晶；另一方面，水的熔点为0℃，在低温下会冻结。目前关于低温电解质有很多研究报道，陈军等(《Aqueous BatteriesOperated at-50℃》Qingshun Nian,Jiayue Wang,Shuang Liu,Tianjiang Sun,ShibingZheng,Yan Zhang,Zhanliang Tao,and Jun Chen)制备了一种以高氯酸钠为溶质、二甲基亚砜和水的混合溶液为溶剂的电解液，但是高氯酸钠化学性质不稳定，安全性不佳，难以商业化应用。Oliver G.Schmidt等(《Antifreezing Hydrogel with High ZincReversibility for Flexible and Durable Aqueous Batteries by CooperativeHydrated Cations》，Minshen Zhu,Xiaojie Wang,Hongmei Tang,Jiawei Wang,Qi Hao,Lixiang Liu,Yang Li,Kai Zhang,and Oliver G.Schmidt)制备了一种有机凝胶类电解质，可以使Zn/LiFePO₄电池在-20℃下工作，但是凝胶制备步骤繁琐，条件苛刻，难以产业化应用。中国专利CN109888411A也提到了一种低温水系钠离子电池，但是并非采用在低温下使用且适合工业化生产的硫酸钠作为电解质，也没用使用凝胶体系。中国专利CN108461832A也提到了一种凝胶态水系钠离子电池，但是该电池无法在低温下工作。

发明内容

针对目前水系电解质存在的问题，本发明提供一种可以在-50℃至25℃工作且不析晶的水系凝胶态电解质。

第一方面，本发明提供一种具有低温工作特性的水系凝胶态电解质，所述水系凝胶态电解质包括具有凝胶导通离子效应的气相二氧化硅及其上负载的硫酸盐电解质，所述水系凝胶态电解质的制备方法包括：在硫酸盐水系电解液中加入气相二氧化硅和甲醇得到凝胶态电解质；其中，所述硫酸盐水系电解液中硫酸盐的浓度为0.5-3mol/L，所述气相二氧化硅与硫酸盐水系电解液中的硫酸根的摩尔比为(1～5)：1，优选：(1.5～2.5)：1；所述硫酸盐水系电解液与甲醇的体积比为(1～10)：1，优选(1～2)：1。

本发明以硫酸盐作为电解质，气相二氧化硅和甲醇作为添加剂，其中，气相二氧化硅和硫酸盐形成复合结构，利用气相二氧化硅对硫酸根的固定作用，使得硫酸钠不析晶，起到了抑制析晶的作用。