[发明专利]一种超低盐浓度水合熔体电解质及其应用

说明书

本发明涉及水系电解质，具体的说是一种超低盐浓度水合熔体电解质及其在构成水系锂离子电池中的应用。超低盐浓度水合熔体电解质含环内酰胺，环内酰胺在超低盐浓度水合熔体电解质中的质量分数为65％‑85％；电解质室温离子电导率为1×10^‑4S/cm‑9×10^‑2S/cm；电化学稳定窗口≥3.1V(析氢电位≤1.4V，析氧电位≥4.5V)。本发明的超低盐浓度水合熔体电解质制备容易，成本低廉；室温离子电导率高；与此同时，该超低盐浓度水合熔体电解质电化学稳定窗口宽，能够有效抑制水系锂离子电池的析氢副反应和析氧副反应的发生，从而可以有效匹配更低电位的负极材料和更高电位的正极材料，因而能够显著提升水系锂离子电池的界面稳定性能、长循环性能和能量密度。

技术领域

本发明涉及水系电解质，具体的说是一种超低盐浓度水合熔体电解质及其在构成水系锂离子电池中的应用。

背景技术

锂离子电池具有非常好的应用前景，但是其安全性能有待进一步的提升，尤其是在可穿戴智能设备等方面。然而，目前采用液态碳酸酯有机电解液的锂离子电池，在滥用、短路或极端情况使用时，电池内部会瞬间释放大量热量，会引燃有机电解液，进而发生起火、燃烧、爆炸等潜在的重大安全隐患，极大影响了用户舒适体验和生命安全，俨然已经成为液态有机电解液锂离子电池进一步发展的最大拦路虎。相对于传统有机液态电解液，采用水系电解质的二次锂离子电池具有不起火不爆炸、本征安全、潜在的低成本、电池组装条件相对不严苛等诸多优点，因此水系锂离子电池已经成为当前二次电池领域的一大研究热点。

1994年，Dahn等首次提出水系锂离子电池的概念。在这种新型水系锂离子电池中，Li₂SO₄或LiNO₃水溶液作为电解质，负极采用VO₂，正极采用LiMn₂O₄。虽然在正极发生的析氧反应导致电池的实际能量密度接近40W·h/kg。但依然大于铅酸电池，与镍镉电池相当。但由于电极材料在水溶液里的分解以及电极材料的结构变化，导致电池性能快速衰减，循环性能很差。

同时，传统水系电解质存在电化学稳定窗口窄，只有1.23V(析氧电位为3.86V，析氢电位为2.63V)，因而在正负极界面处电解液容易发生析氢、析氧等副反应；另外腐蚀集流体，导致库伦效率低和循环性能差等致命问题。

为解决传统水系电解质存在的上述诸多弊端，2015年，美国马里兰大学的王春生教授在Science发表文章，提出了“water-in-salt”高浓盐水系电解质(21m LiTFSI)。实验结果表明：该高浓盐水系电解质具有独特的溶剂化结构，几乎所有阴离子和水分子都参与了溶剂化机结构，形成了结合水显著降低了自由水含量，降低了水的反应活性，另外高浓盐导致TFSI^-的优先分解，形成优异的界面保护层，从而使得该水系电解质的电化学稳定窗口拓宽到2.9V(析氢电位降低到1.9V，析氧电位提升到4.8V)，成功实现了LiMn₂O₄/Mo₆S₈水系锂离子电池的长循环运行(4.5C倍率下循环1000圈容量保持率68％)。然而该高浓盐水系电解质(21m LiTFSI)的析氢电位为1.9V，导致更低电位的负极如钛酸锂(1.55V)不能应用于由该电解质体系组成的水系锂离子电池中，水系锂离子电池的能量密度受到了极大的限制。