[发明专利]一种水系电解液及其制备方法、水系锂离子电池

说明书

本发明公开了一种水系电解液及其制备方法、水系锂离子电池，属于电池水系电解液技术领域。所述方法包括：将溶解有锂盐的水溶液与溶解有锂盐的环丁砜溶液进行混合，得到所述水系电解液；所述水系电解液中锂盐的总浓度10mol/kg。本发明中采用了锂盐的总浓度10mol/kg，降低了锂盐用量，降低了成本，但并没有降低水系锂离子电池的性能，反而实现了水系电解液具有约4V的电化学稳定窗口，可以匹配输出电压高达2.5V的水系锂离子电池。从而丰富水系锂离子电池电极材料的选择，由此解决电化学窗口窄、电池的能量密度低、成本高昂的技术问题。

技术领域

本发明属于电池水系电解液技术领域，更具体地，涉及一种水系电解液及其制备方法、水系锂离子电池。

背景技术

锂离子电池已成为人们生产生活当中不可或缺的重要工具。伴随着锂离子电池的大范围使用，关于锂离子电池起火爆炸的事故也不断被报导，锂离子电池的安全性已然成为当下人们最为关注的指标。目前商用锂离子电池使用易燃的有机电解液，在电池短路时，极易导致电池起火甚至爆炸。因此，用水溶液作为电解液的水系锂离子电池，相较于目前商用的有机系锂离子电池，其安全性大大增强。

由于水的热力学稳定窗口较窄，仅为1.23V，极大限制了水系锂离子电池正负极材料的选择，很多高电位的正极材料(如镍锰酸锂LiNi_0.5Mn_1.5O₄)和低电位的负极材料(如钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂)都无法在水系锂离子电池中使用。因此，水系锂离子电池的输出电压很难突破1.5V，并且水系锂离子电池的能量密度往往较低(70Wh kg^-1)，这极大限制了水系锂离子电池的广泛应用和发展。

另外，为了拓宽水系电解液的电化学稳定窗口，在非专利文献Science(2015,350(6263):938-943)中，公开了一种超高浓度的电解液，将电化学稳定窗口拓宽至3V。但是其使用了大量的昂贵的锂盐，盐浓度高达21mol/kg。在非专利文献Joule(2018,2(5):927-937)中，公开了混溶水和碳酸二甲酯(DMC)的电解液，电化学稳定窗口拓宽至4V，并把总体盐浓度降低到约14mol/kg。但是，该混溶电解液的总体盐浓度仍然较高，削弱了水系电解液原本的低成本优势。

因此，如何在较低的总体盐浓度下，得到大幅拓宽的电化学稳定窗口，是目前研发人员关注的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种水系电解液及其制备方法、水系锂离子电池，其目的在于在较低的总体盐浓度下，得到大幅拓宽的电化学稳定窗口，从而丰富水系锂离子电池电极材料的选择，由此解决电化学窗口窄、电池的能量密度低、成本高昂的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种水系电解液的制备方法，所述方法包括：将溶解有锂盐的水溶液与溶解有锂盐的环丁砜溶液进行混合，得到所述水系电解液；所述水系电解液中锂盐的总浓度10mol/kg。该水系电解液具有约4V的电化学稳定窗口。电解液包括水、共溶的有机溶剂以及锂盐。

优选地，所述溶解有锂盐的水溶液为溶解有锂盐的饱和水溶液。当锂盐为双三氟甲基磺酰亚胺锂时，其水溶液的浓度为21mol/kg。

优选地，将溶解有锂盐的水溶液与溶解有锂盐的环丁砜溶液按照1:5～5:1的质量比进行混合。

优选地，所述溶解有锂盐的环丁砜溶液中，锂盐与环丁砜的摩尔比为1：1～3。

优选地，所述水系电解液中锂盐与溶剂的摩尔比为1:2.155～1:2.573。

优选地，所述水系电解液中溶剂水与环丁砜的摩尔比为1:2.399～1:0.096。

优选地，所述锂盐为含有氟化磺酰亚胺基团的锂盐，该类锂盐具有解离能力极强、溶解度高、热稳定性高的特点。