[发明专利]水系电解液、水系金属离子电池及其制备方法

说明书

本发明提供的水系电解液、水系金属离子电池及其制备方法，涉及离子电池技术领域，提供的水为溶剂、水溶性金属盐为溶质，C1～C10醇类、C1～C10酸类、吡啶、甲基磺酸中的一种或多种为添加剂的水系电解液，添加剂的质量分数为0.001％～10％；本发明的水系电解液具有阻燃防爆的功能，能够有效抑制由于电池在过充放过程中热失控引起的爆燃等安全事故，可以有效地抑制负极在金属电沉积反应中产生的枝晶，提高负极的电沉积反应的均一性，减少正负极微短路造成的容量衰减和电池失效，显著提高电池的循环稳定性和使用寿命。

技术领域

本发明涉及离子电池技术领域，具体涉及一种水系电解液、水系金属离子电池及其制备方法。

背景技术

伴随着全球市场对高效、清洁和可再生能源需求的日益增长，储能电池在分布式电站、通讯基站、UPS/EPS、风力、光伏发电和电网调峰调频等领域有广阔的应用前景。目前主要用于储能行业的电池为铅酸电池和锂离子电池，铅酸电池虽然价格低廉、工艺成熟，但由于含有重金属铅，并且需要处理的废水中含有大量的硫酸，对环境污染严重。而锂离子电池虽然性能优越，但由于采用了易燃的有机电解质，有爆燃的隐患，安全性能较差。

现有技术公开了一种水系电池，该电池的负极能够基于第一金属离子进行可逆的还原沉积-氧化溶解反应，正极能够基于第二金属离子进行可逆的脱出-嵌入反应，电解液为含有参与负极沉积-溶解反应的第一金属离子和参与正极脱出-嵌入反应的第二金属离子的水溶液，这种水系电池不存在类似锂离子电池中有机电解液易燃的安全隐患，也不使用且对环境不友好的重金属，电池容量高，具有极大的应用价值。

但是当采用锌离子作为第一金属离子的电解液、锌电极等理论容量高的活性金属作为负极组成水系电池时，由于在制作过程中，负极需要做成多孔状以便提高电极的比表面积，增大电解液的浸润性，提高电极的有效容量，会造成负极表面凹凸的不均匀，在电流的尖端效应下，引起负极表面电流密度分布的不均匀。因此在充电阶段，金属离子会优先在负极表面电流密度高的突出的部位沉积，逐渐产生枝晶。随着循环次数的增加，枝晶不断向正极侧生长，最终刺穿隔膜，造成短路，导致电池失效。

发明内容

本发明目的在于提供一种水系电解液、水系金属离子电池及其制备方法，通过在水系电解液中加入抑制枝晶短路的添加剂，抑制负极上枝晶的生长，显著提高水系金属离子电池的循环寿命。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种水系电解液，溶剂为水、溶质为水溶性金属盐，还包括添加剂；其中，水溶性金属盐为锂盐、锌盐、镁盐、铝盐、钙盐中的一种或多种，添加剂为C1～C10醇类、C1～C10酸类、吡啶、甲基磺酸中的一种或多种。

进一步的，所述添加剂在水系电解液中的质量分数为0.001％～10％，优选为0.1％～1％。

本发明还公开了采用上述水系电解液的水系金属离子电池，包括正极、负极和电解液。

所述正极包括正极活性材料、正极集流体、导电剂和粘结剂，正极的活性材料为磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂、普鲁士蓝、镍钴锰三元材料中的一种或多种，正极集流体为不锈钢或碳，导电剂为碳类材料，粘结剂为丙烯腈多元共聚物、高分子醇类聚合物、聚四氟乙烯、橡胶类聚合物中的一种或几种。

所述负极包括负极活性材料、负极集流体、导电剂和粘结剂，负极的活性材料为锌及其氧化物、铝及其氧化物、镁及其氧化物、钙及其氧化物的一种或多种，负极集流体为铜、不锈钢、铝、镍中的一种或几种，导电剂为碳类材料，粘结剂为丙烯腈多元共聚物、高分子醇类聚合物、聚四氟乙烯、橡胶类聚合物中的一种或几种。

本发明还公开了上述水系金属离子电池的制备方法，步骤如下：