[发明专利]通过调控电解液组成提升层状电极材料性能的通用方法

说明书

本发明提供了一种通过调控电解液组成提升层状电极材料性能的通用方法。对于任意一种层状电极材料，测试其层间距，记为b；选取阳离子的直径a小于所述层间距b的阳离子盐中的任一种或多种，添加至分子直径为c的溶剂中，配制成电解液；当所述电解液中阳离子的直径a和溶剂分子的直径c满足c＞b‑a时，将此电解液作为所述层状电极材料的工作电解液，即可提升所述层状电极材料的比容量和循环性能。采用本发明提供的方法，仅通过调控电解液中的阳离子和溶剂分子的直径，就能为任一种层状电极材料配制出最佳电解液，从而提升层状电极材料的比容量和循环性能，具有良好的普适性。

技术领域

本发明属于层状电极材料性能提升技术领域，涉及一种通过调控电解液组成提升层状电极材料性能的通用方法。

背景技术

层状电极材料具有高比电容、低电阻和高能量密度等优点，同时兼有双电层电容和法拉第赝电容性质，因此越来越多的被应用作电池和电容器等储能设备的电极材料。层状电极材料被用作电池和电容器等储能设备的工作电极时，电解液中的阳离子在层状电极材料中发生嵌入和脱出，实现充放电过程。在循环充放电过程中，层状电极材料会逐渐发生层状结构→缺陷尖晶石状结构→无序岩盐相的结构转变，使得层间距降低、阻抗增大，且表层和体相结构不均一，导致阳离子的嵌入和脱出难度增大，甚至无法进行，最终导致严重的比容量衰减和循环稳定性变差的问题。

因此，阳离子的嵌入和脱出的难易程度对储能设备的比容量及循环性能有重要影响，通过降低阳离子在嵌入和脱出时的阻抗，能够提高层状电极材料的比容量及循环性能。目前，大部分的研究集中于对层状材料的性能进行分析和改进，并未对其失效机理进行深入研究。因此，深入了解层状材料晶体结构与电解液中溶质溶剂共嵌入行为的关系，以及溶剂化/去溶剂化离子嵌入脱出行为等，有助于为提升储能材料的性能提供依据和向导，对开发储能材料循环利用的绿色高效途径具有重要社会经济学意义。

经研究发现，电解液中的阳离子在嵌入和脱出过程中，当阳离子直径与层间距相差较大时，电解液中的阳离子通常是以与水分子形成的水合离子状态在层状材料间进行嵌入和脱出，而水分子的嵌入对层状电极材料的比容量和循环性能是不利的；当阳离子直径较大时，阳离子直径与层间距相差较小，使得在嵌入和脱出时，溶剂分子难以嵌入，去溶剂化效应增强，比容量和循环性能相应有所提高；当阳离子直径大于层间距时，阳离子难以嵌入层状材料，且易导致层状结构塌陷，因此性能较差。

例如发明专利CN103985902公开了一种用去溶剂化胶态电解质改善锂硫电池性能的方法，以碳酸酯类溶剂和以六氟磷酸锂为代表的锂盐组成高浓度的去溶剂化胶态电解质，通过去溶剂化作用降低电极过程的阻抗，提高电化学性能。

有鉴于此，本发明通过对层间距、阳离子直径及溶剂直径进行调控，使得去溶剂化效应增强，溶剂分子无法嵌入层状电极材料的层间，从而为层状电极材料配制出最佳工作电解液，层状电极材料的比容量和循环性能显著提升。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种通过调控电解液组成提升层状电极材料性能的通用方法，通过调控层状电极材料的层间距、阳离子的直径和溶剂分子的直径之间的相互关系，为层状电极材料配制出最佳工作电解液，以实现层状电极材料的比容量和循环性能的提升。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种通过调控电解液组成提升层状电极材料性能的通用方法，包括以下步骤：

S1.对于任意一种层状电极材料，测试其层间距，记为b；

S2.选取阳离子的直径a小于所述层间距b的阳离子盐中的任一种或多种，添加至分子直径为c的溶剂中，配制成电解液；

S3.当所述电解液中阳离子的直径a和溶剂分子的直径c满足c＞b-a时，将此电解液作为所述层状电极材料的工作电解液，即可提升所述层状电极材料的比容量和循环性能。