[发明专利]一种多组分混合态电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种多组分混合态电解质及其制备方法和应用。该电解质包括水系溶液和无机固体粉末，其中，无机固体粉末为黏土粉末，黏土粉末一方面控制了体系的反应活性，另一方面提供了溶液中离子交换通道，保证了离子交换速率；该电解质还可以通过有机液体或有机固体进行改性，有机液体可打破自由水的氢键网络，抑制水的析氢副反应，有机固体可强化电解质的吸附性，形成稳定的电极/电解液界面，减少枝晶的生成。利用本发明所提供的混合态电解质制备的水系离子电池具有高容量的同时还有效抑制了水体系所带来的副反应，具有优异的电化学性能，在动力电池领域具有广泛的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种混合态电解质，具体涉及一种多组分混合态电解质及其制备方法和应用，属于电池电解质技术领域。

背景技术

水系离子电池采用水充当溶剂，具有安全、绿色、环保、低成本的优势，但是用水的溶剂，也存在非常巨大的问题。对于负极而言，存在着严重的腐蚀问题，氧化问题，枝晶生长问题等等；对于正极而言，材料的溶解问题(例如钒溶解、锰溶解等)尤其严重；对于水溶剂本身而言，存在严重的水分解导致的析氢、析氧问题，另外，由于水活性较高，可能与正负极发生严重的副反应。

为了保证水系电池中的电解质活性停留在合理的范围内，中国专利(CN110994046A)公开了一种水系离子电池混合态电解质，由液态物质和固态物质组成，通过提高混合态电解质的固态含量，抑制金属负极腐蚀、氧化等副反应的发生，并且正极的溶解状况可以得到明显的下降，有效抑制枝晶的生成；但是该混合态电解质中固态含量过高，且所选用的固态物质为惰性粉末，虽然减少了正负极的副反应，但也严重影响了金属离子的迁移速率，降低了电池容量。

因此，水系电池现有的问题已经严重固阻碍了水系离子电池的进一步工业化应用和发展，如何稳定和改善水体系环境，既能降低正负极副反应，又能够提高电池容量成为了当下亟需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的第一个目的在于提供一种多组分混合态电解质，该混合态电解质包括水系溶液和无机固体粉末，其中，无机固体粉末为黏土粉末，黏土粉末一方面控制了水体系的反应活性，另一方面还提供了溶液中离子交换通道，保证了离子交换速率；同时，基于水系溶液和无机固体粉末的协同作用，该电解质有效解决了水体系中电极材料的腐蚀、溶解和钝化等问题。

本发明的第二个目的在于提供了一种多组分混合态电解质的制备方法，将无机固体粉末与水系溶液充分混合，即得。该方法简单便捷，无废水废气，可根据生产需求进行间歇或连续化生产，有效降低了生产成本。

本发明的第三个目的在于提供了一种多组分混合态电解质的应用，该混合态电解质中的黏土类固态物可与电极形成紧密吸附，在电极材料表面形成稳定电极/电解液界面，该界面不仅能够保证离子的自由交换，还可以有效抑制枝晶的形成，对负极起到保护作用。

为实现上述技术目的，本发明提供了一种多组分混合态电解质，包括水系溶液和无机固体粉末；所述水系溶液为可溶金属盐溶液；所述无机固体粉末为黏土粉末；所述水系溶液与无机固体粉末的质量比为1～3：1。

本发明混合态电解质中的无机固体粉末，一方面具有极强的化学稳定性，可以控制水体系的反应活性，另一方面，其微观层状结构有利于离子的传输，为离子的高效传输提供了有效的通道。进一步的，混合态电解质中的水系溶液一方面提供了金属离子，另一方面所提供的水分子有利于离子的高效传输。

本发明所提供的混合态电解质中，水系溶液和无机固体粉末的添加量要严格按照设定比例执行，若水系溶液比例过低，会使得电解质中的离子迁移速率低，反应效率低，进而影响电池的容量；若比例过大，会导致水活性过高，析氢吸氧腐蚀等副反应大幅增加，电池不稳定性增加。

作为一项优选的方案，所述可溶金属盐溶液中包含的阴离子为硫酸根离子、三氟甲基磺酸根离子和双三氟甲烷磺酰亚胺根离子中的至少一种，包含的金属阳离子为锌离子、锂离子、钠离子中的至少一种。