非水系电解液、制备方法及电池

本申请涉及电池材料，特别涉及一种非水系电解液、制备方法及电池。

背景技术：

1、可充电锌离子电池具有高安全、低成本、环境友好等特点，在规模储能、智能电网、消费电子等领域具有广阔的应用前景而备受学术界和产业界的关注。然而，现阶段锌离子电池仍面临枝晶生长、电解液分解(析氢析氧)、循环稳定性不足、自放电严重、低温无法工作等问题，这类问题严重阻碍锌离子电池的产业化进程和规模化应用。电解质是电化学储能器件的核心材料，其物理化学性质直接影响电池的正负极稳定性、器件安全性和使用环境。设计和开发新型的电解质有望从根本上解决锌离子电池所面临的问题。

2、目前，低温电解液的设计改性主要是围绕着降低电解液的凝固点和减少副反应，主要包括水系电解液，有机电解液、杂化电解液、凝胶电解质等。

3、1)水系电解液：水系电解液中主要是靠引入配体破坏游离水之间的氢键从而改善低温性能。比如可以通过引入zn2+、mg2+等与游离水的氧原子配位，破坏游离水之间的氢键；还可以通过引入bf4-、clo4-等具有高电负性的阴离子与游离水的氢原子配位，破坏游离水之间的氢键。

4、2)有机电解液：有机溶剂由于其本身具有较低的凝固点，代替水用作低温锌离子电池是一种有效策略。其本身不含游离水之间的氢键，冰点大大降低。

5、3)有机/水杂化电解液：杂化电解液可以结合有机电解液和水电解液两者的优势。可以通过将少量的有机电解液引入到水电解液中或者将少量的水引入到非水电解液中。

6、4)凝胶电解质：一种是在凝胶电解质中引入离子或醇，破坏游离水之间的氢键；另一种是将亲水官能团枝接到水凝胶聚合物中，改变了水凝胶网络，限制了游离水之间的氢键。

技术实现思路

1、鉴于此，有必要针对现有技术中存在的缺陷提供一种高稳定性、高容量、宽温域使用的锌离子电池电解液的制备方法及其应用。

2、为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：

3、本申请的目的之一，提供了一种非水系电解液，包括有机溶剂及溶于所述有机溶剂中的含氟锌盐。

4、在其中一些实施例中，所述含氟锌盐包括三氟甲烷磺酸锌。

5、在其中一些实施例中，所述有机溶剂包括乙腈及1,3-二氧五环，所述乙腈和1,3-二氧五环的体积比范围在0.001:0.999到0.999：0.001之间。

6、在其中一些实施例中，所述非水系电解液的摩尔浓度为0.001mol/l～5mol/l。

7、本申请的目的之一，提供了一种非水系电解液的制备方法，包括下述步骤：将含氟锌盐溶解到有机溶剂中，得到所述非水系电解液。

8、本申请的目的之一，提供了一种电池，包括所述的非水系电解液。

9、在其中一些实施例中，还包括电池负极，所述电池负极为锌负极，所述锌负极的厚度为1μm～100mm。

10、在其中一些实施例中，还包括电池正极，所述电池正极包含三氧化二钒正极、五氧化二钒正极、钒酸铵正极、二氧化锰正极、普鲁士蓝正极中的一种。

11、在其中一些实施例中，所述钒酸铵正极通过下述方法制备得到：

12、将钒酸铵、导电剂及粘结剂按照重量百分比为(60-90％)：(5-30％)：(5-10％)混合研磨成颗粒，再在所述颗粒中滴加有机溶剂，继续研磨成油墨状浆料；

13、将所述油墨状浆料涂敷在正极集流体上，干燥后切片得到所述钒酸铵正极。

14、在其中一些实施例中，所述导电剂包括科琴黑、乙炔黑、导电炭黑及碳纳米管中至少一种，所述粘结剂包括聚偏氟乙烯及聚四氟乙烯中至少一种，所述有机溶剂包括n-甲基吡咯烷酮，所述正极集流体包括钛箔或碳纤维布或石墨纸或铝箔或铜箔。

15、在其中一些实施例中，所述钒酸铵通过下述方法制备得到：

16、将五氧化二钒和过硫酸铵溶解在去离子水中，超声处理得到混合溶液；

17、在所述混合溶液中加入3,4-乙烯二氧噻吩，进行油浴反应；

18、再冷却至室温后，经洗涤干燥后得到所述钒酸铵。

19、在其中一些实施例中，所述五氧化二钒和过硫酸铵质量比为2：1，所述超声时间为0.01～5h，所述油浴反应温度为100-120摄氏度，所述油浴反应时间为1-100小时，所述洗涤方式为离心或抽滤，所述干燥为真空干燥或冷冻干燥。

20、本申请采用上述技术方案，其有益效果如下：

21、本申请提供的非水系电解液及电池，包括有机溶剂及溶于所述有机溶剂中的含氟锌盐，该电解液不含游离水分子，避免了锌负极的析氢反应和腐蚀钝化；且该电解液能在锌负极表面形成稳定的znf2固液界面膜(sei)，避免了充放电过程中锌负极枝晶生长的问题；该电解液具有较宽的电压窗口(2.3v)，其解决了电池工作条件下分解(析氢析氧)问题；该电解液在-60℃仍然不凝固且具有较高的离子电导(4.06ms/cm)，其解决了锌电池低温无法工作的难题。

技术特征：

1.一种非水系电解液，其特征在于，包括有机溶剂及溶于所述有机溶剂中的含氟锌盐。

2.如权利要求1所述的非水系电解液，其特征在于，所述含氟锌盐包括三氟甲烷磺酸锌。

3.如权利要求1所述的非水系电解液，其特征在于，所述有机溶剂包括乙腈及1,3-二氧五环，所述乙腈和1,3-二氧五环的体积比范围在0.001:0.999到0.999：0.001之间。

4.如权利要求1所述的非水系电解液，其特征在于，所述非水系电解液的摩尔浓度为0.001mol/l～5mol/l。

5.一种非水系电解液的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：将含氟锌盐溶解到有机溶剂中，得到所述非水系电解液。

6.一种电池，其特征在于，包括权利要求1所述的非水系电解液。

7.如权利要求6所述的电池，其特征在于，还包括电池负极，所述电池负极为锌负极，所述锌负极的厚度为1μm～100mm。

8.如权利要求6所述的电池，其特征在于，还包括电池正极，所述电池正极包含三氧化二钒正极、五氧化二钒正极、钒酸铵正极、二氧化锰正极、普鲁士蓝正极中的一种。

9.如权利要求8所述的电池，其特征在于，所述钒酸铵正极通过下述方法制备得到：

10.如权利要求9所述的电池，其特征在于，所述导电剂包括科琴黑、乙炔黑、导电炭黑及碳纳米管中至少一种，所述粘结剂包括聚偏氟乙烯及聚四氟乙烯中至少一种，所述有机溶剂包括n-甲基吡咯烷酮，所述正极集流体包括钛箔或碳纤维布或石墨纸或铝箔或铜箔。

11.如权利要求9所述的电池，其特征在于，所述钒酸铵通过下述方法制备得到：

12.如权利要求11所述的电池，其特征在于，所述五氧化二钒和过硫酸铵质量比为2：1，所述超声时间为0.01～5h，所述油浴反应温度为100-120摄氏度，所述油浴反应时间为1-100小时，所述洗涤方式为离心或抽滤，所述干燥为真空干燥或冷冻干燥。

技术总结
本申请提供的非水系电解液及电池，包括有机溶剂及溶于所述有机溶剂中的含氟锌盐，该电解液不含游离水分子，避免了锌负极的析氢反应和腐蚀钝化；且该电解液能在锌负极表面形成稳定的ZnF<subgt;2</subgt;固液界面膜(SEI)，避免了充放电过程中锌负极枝晶生长的问题；该电解液具有较宽的电压窗口(2.3V)，其解决了电池工作条件下分解(析氢析氧)问题；该电解液在‑60℃仍然不凝固且具有较高的离子电导(4.06mS/cm)，其解决了锌电池低温无法工作的难题。由该电解液组装的锌离子电池在‑60摄氏度0.5A g<supgt;‑1</supgt;的电流密度下具有较高的容量(58mAh g<supgt;‑1</supgt;)和稳定的长循环寿命(2000圈)。

技术研发人员：成会明,王洪亮,商健,韩翠平,许敏炜
受保护的技术使用者：中国科学院深圳理工大学（筹）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12