[发明专利]一种水系锂离子电解液及电池

说明书

本发明公开了一种水系锂离子电解液，其特征在于，该电解液由二甲基砜、高氯酸锂、脲和水按0.5～2:0.5～1.6:0.5～2:0.3～2的摩尔比例复配而成，是四种原料混合研磨后置于水浴中超声得到的透明均相溶液。本发明创造性地采用廉价的非易燃有机小分子和锂盐及水共同作用用于拓宽电化学稳定窗口，制备出的电解液具有高的离子导电率、较低的粘度、良好的高低温相稳定保持性，整体制备过程简单、易行、且降低了制备成本，非常有利于实现工业化生产。

技术领域

本发明属于二次电池领域，具体涉及用于锂离子电池的水系电解液及以此为基础制备的锂离子电池。

背景技术

锂离子二次电池因具有高能量密度、长循环寿命等优势自上个世纪90年代推出以来得到了广泛的认可，目前已经被广泛应用于电子产品电源、电动汽车、储能等领域。

传统的锂离子电池主要采用有机电解液，这主要是因为传统LCO/石墨体系锂离子电池电压较高，超过了水溶液电解质的稳定电压窗口，因此只能采用有机溶液电解质，但此类锂离子电池存在电导率低以及易于燃烧爆炸的高安全隐患。

近年来随着人们对动力电池安全性、环保性要求的提高，人们开始考虑使用水系电解液来替代有机电解液；相比于有机电解液而言，水系电解液不仅成本低、安全性高、绿色环保，而且具有更高的电导率，能够改善电池的功率特性。但是，水系电解液由于在负极易发生析氢反应、在正极发生析氧反应导致其电化学窗口较窄，导致大多数正负极材料在这一电化学窗口范围内难以充分发挥出全部容量，这成为限制其应用的重大问题。

目前，拓宽水系电解液电化学窗口最常见的办法就是配置高浓度的锂盐水溶液，即所谓的“water in salt”电解液(Science,350(2015):938-943,10.1126/science.abb1595,10.1038/s41586-019-1175-6)，其能够有效地抑制水分解，从而拓宽电解液的电化学窗口。但是此类方法通常需使用价格昂贵的锂盐例如三氟磺酰亚胺锂等，且锂盐的用量很大，这就使得该水系电解液的制备具有很高的成本，另外电解液粘度很大，会造成盐析现象。

因此，寻找一种简单、易行、廉价的拓宽水系电解液电化学窗口的方法显得尤为必要。而利用能够同时和锂盐及水形成强烈分子间作用力的极性有机小分子，“稀释”高盐电解液的同时保持宽的电化学窗口等性能将是一种低成本配制水系电解液的有效策略。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水系锂离子电解液及电池，本发明采用廉价的非易燃有机小分子和锂盐及水共同作用用于拓宽电化学稳定窗口，操作简单、易行、低成本，非常有利于实现工业化生产。

本发明是这样来实现的：一种水系锂离子电解液，由二甲基砜、高氯酸锂、脲和水按0.5～2:0.5～1.6:0.5～2:0.3～2的摩尔比例复配而成，是四种原料混合研磨后置于水浴中超声得到的透明均相溶液。

一种以上述水系锂离子电解液制备而成的电池，正极材料为锰酸锂，负极材料为铌酸钛或磷酸钛钠，正极集流体采用钛箔、不锈钢箔或碳纸，负极集流体采用铝箔、铜箔或碳纸，可以采用纽扣或叠片形式组装。

有益效果：

本发明提供的水系锂离子电解液具有宽的电化学稳定窗口(3.4V～3.6V)、高的离子导电率、较低的粘度、良好的高低温相稳定保持性；

本发明提供的水系锂离子LiMn₂O₄//TiNb₂O₇电池突破性的实现了高达2.4V的工作电压及196Wh/kg的能量密度，稳定后该电池不仅具有高的库仑效率同时具有较好的循环稳定性；