[发明专利]水系锂离子电池

说明书

本发明公开了一种水系锂离子电池，包括正极极片、负极极片、隔离膜和电解液，正极极片包括正极集流体和正极材料层，正极材料层包括正极活性物质；负极极片包括负极集流体和负极材料层，负极材料包括负极活性物质；正极活性物质为能嵌入脱出锂离子的材料；电解液包括水、锂盐和稳定剂，稳定剂选自磷酰基类化合物、碳酰基类化合物、硫酰基类化合物和氰基类化合物中的至少之一。本发明极大的拓宽了体系中水分解的电化学窗口，同时还有效避免了水分解而产生析氢析氧反应，提高了电池体系的稳定性和安全性。另外，上述稳定剂有效抑制了水的活性，从而能够抑制正极活性物质或负极活性物质因水而溶出，稳定了活性物质结构。

技术领域

本发明涉及电化学储能设备领域，具体而言，本发明涉及水系锂离子电池。

背景技术

水系锂离子电池由于具有高的工作电压、能量密度高、环境友好等优点，且水系电解液具有无毒无害、不可燃、成本低和对生产环境要求低等优点，未来在储能电池、低速动力电池等领域有巨大的应用市场，并且在对电池安全性要求高的航空航天、国防军工等领域也有广阔的应用前景。现有技术中的水系锂离子电池，通常以可嵌入脱出锂离子的材料作为正极，以可沉积溶解的金属单质或合金作为负极，大多采用常规浓度水系电解液，以水作为溶剂，加入金属盐电解质，部分采用极其高浓度的“water in salt”水系电解液。然而，现有的用于锂离子电池的水系电解液仍有待改进。

另外，现有技术中的水系锂离子电池通常以可沉积/溶解的金属单质或合金作为负极，负极表面的沉积/溶解反应容易发生不均一的现象，容易导致金属枝晶的生长，进而产生枝晶危害，严重情况下会刺穿隔膜，造成电池短路，影响电池的循环寿命。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现提出的：

锂离子在水系电解液中以水合离子的形式存在，在低浓度salt in water(水包盐)体系内，Li⁺存在双层水化，首先，以Li⁺为内核，4个水偶极子通过O^-和Li⁺的短程静电吸附形成第1水化层，接下来，外层4个水偶极子与Li⁺通过相对长程的静电吸附以及与第1层水分子间的氢键作用，形成第2水化层，再往外，则水偶极子与Li⁺的作用逐渐消失，水分子以free H₂O(自由水分子)的形式存在，水溶液整体表现为{[Li(H₂O)₄](H₂O)₄}+nH₂O构型。因此，上述体系中存在的自由水会导致如下缺陷：(1)自由水分子在电解液中容易出现分解现象，自由水分子的分解电压限制了水系电池的电压窗口不能过高，从而导致电压窗口低；(2)当活性材料接触自由水分子时，存在活性材料溶出的现象，导致活性材料结构坍塌，因而影响电池的容量和循环性能；(3)自由水分子在电解液中容易出现析气现象，导致电池体系不稳定。

而在高浓度water in salt(盐包水)体系内，随着salt in water向water insalt的转换，水溶液形成Li(H₂O)_2.5-TFSI类构型，从而有效的拓宽了水的电化学窗口。但盐包水体系新的问题：(1)电导率下降，倍率性能下降；(2)潜在的低温析晶问题；(3)部分盐价格非常昂贵；(4)影响电池的能量密度。

发明人在研究中发现，通过在水系电解液中加入稳定性更高的稳定剂，以替换水包盐体系中的自由水分子，甚至部分替换第2和/或第1水化层的水分子，从而达到与盐包水类似的效果；同时，由于本发明的水系电解液为水包盐体系，因此，并不存在盐包水体系的缺陷。