一种水系电解液、制备方法及电池

本申请涉及离子电池，特别涉及一种水系电解液、制备方法及电池。

背景技术：

1、当今，锂离子电池的商业化给人们的生活带来了极大的便利，但其存在的一个短板是，锂离子电池通常采用有机体系的电解质，其存在易燃的安全问题，同时锂矿资源储量少，这些决定了锂离子电池的成本相对较高，难以实现在大规模储能领域的应用。因此寻找一种价格低廉、安全性高、循环稳定性好的电池体系以满足大规模储能领域需求已迫在眉睫。可充电水系锌离子电池被视为锂离子电池的实用弥补品，可用于大规模储能。这是因为锌金属具有诸多优势，如：高理论容量和体积容量(820mah g-1和5855mah cm-3)、低电化学电势(与标准氢电极(she)相比为-0.762v)、与水系电解质良好的相容性、含量丰富、成本低、安全且环保、相对容易制造等。然而，在水系锌基电池充放电过程中，水解产生的[zn(h2o)x]2+离子和zn2+溶剂化壳层外侧的自由水分子会发生严重的界面副反应，导致锌腐蚀、析氢以及不均匀的锌沉积等问题。

2、为了解决这些问题，人们探索了各种策略来改性锌负极或进行电解液设计，如表面涂层改性，负极结构优化，以及电解液改性。与涂层改性和结构优化相比，在电解液中引入多功能添加剂的措施不仅工艺简单、成本低，而且能极大的提高水系锌基电池的库伦效率和循环稳定性，是缓解负极及其界面问题的关键思路之一。一方面，在水系电解液中引入少量含氟的长链醇，由于醇与水可以形成氢键，因此，该添加剂的加入降低了水的活性，进而抑制了析氢反应的发生。另一方面，通过改变水系电解液中zn[h2o]62+溶剂化结构，使含氟醇溶剂取代部分水形成zn[[h2o]n[含氟醇溶剂]m]2+而挤入zn2+的溶剂化壳层中，参与电极表面固态电解质层的形成。

3、目前已经报道通过引入添加剂开发的电解液具有离子电导率高、与电解界面兼容性好等优点，但是，这些电解液体系通常难以确保锌负极超长的循环寿命(在5ma cm-2大电流密度和5mah cm-2大沉积容量下仅能循环大约800小时)，严重降低了可充电水系锌电池的大倍率、长寿命特性。另外，一般电解液中引入的添加剂功能比较单一，如，在起到缓解析氢反应作用的同时，降低了电解液的离子电导率；在定向调控002晶面锌沉积的同时，引起电解液严重的析氢副反应；在与锌负极界面兼容性良好时，导致正极材料的溶解，包括钒基材料中的v溶解和锰基材料中的mn溶解。因此，急需开发一种廉价、低浓度、离子电导率高的锌基电池水系电解质。

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低浓度、离子电导率高的水系电解液、制备方法及电池。

2、为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：

3、本申请目的之一，提供一种水系电解液，所述水系电解液包括添加剂，所述添加剂含氟醇羟基封端的有机物。

4、在其中一些实施例中，所述含氟醇羟基封端的有机物包括长链的含氟醇封端类有机物和/或短链的含氟醇封端类有机物。

5、在其中一些实施例中，所述长链的含氟醇封端类有机物包括全氟壬烷醇、全氟壬烷二醇、全氟癸烷醇、全氟癸烷二醇中的至少一种，所述短链的含氟醇封端类有机物包括全氟丁烷醇、全氟己烷丁醇、含氟戊烷醇、全氟戊烷二醇中的至少一种。

6、在其中一些实施例中，所述含氟醇羟基封端的有机物还包括同时含f、s或磺酸基的羟基封端类有机物。

7、在其中一些实施例中，在所述水系电解液中所述添加剂的添加量为0.001-0.01mol/l。

8、本申请目的之二，提供了一种所述的水系电解液的制备方法，包括下述步骤：

9、将所述添加剂与去离子水混合后在25～50℃下搅拌1～8小时，再在上述混合溶液中加入金属盐，并保持在25～60℃下继续搅拌，得到所述水系电解液，所述添加剂包括含氟醇羟基封端的有机物。

10、在其中一些实施例中，所述金属盐包括锂盐或钠盐或钙盐或钾盐或铝盐。

11、在其中一些实施例中，所述锌盐包括硫酸锌、甲磺酸锌、三氟甲烷磺酸锌、双三氟甲烷磺酸亚胺锌、氯化锌六氟硅酸锌、高氯酸锌或硝酸锌中的至少一种。

12、在其中一些实施例中，所述锌盐的浓度为0.5～3mol/l。

13、在其中一些实施例中，在所述水系电解液中所述添加剂的添加量为0.001-0.01mol/l。

14、本申请目的之三，提供了一种电池，包括所述的水系电解液。

15、本申请采用上述技术方案，其有益效果如下：

16、本申请提供的水系电解液，所述水系电解液包括添加剂，所述添加剂含氟醇羟基封端的有机物，本申请在水系电解液中引入少量含氟醇羟基封端的有机物可以促使添加剂中的羟基和水中氢形成分子间氢键，而打破水分子原来的氢键网络，从而达到抑制析氢副反应发生的效果，同时还能确保氢键网络中部分自由水的存在，保证电解液高的离子电导率，可将其应用在离子电池中，实现了大电流密度和沉积容量下的长循环寿命，具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种水系电解液，其特征在于，所述水系电解液包括添加剂，所述添加剂含氟醇羟基封端的有机物。

2.如权利要求1所述的水系电解液，其特征在于，所述含氟醇羟基封端的有机物包括长链的含氟醇封端类有机物和/或短链的含氟醇封端类有机物。

3.如权利要求2所述的水系电解液，其特征在于，所述长链的含氟醇封端类有机物包括全氟壬烷醇、全氟壬烷二醇、全氟癸烷醇、全氟癸烷二醇中的至少一种，所述短链的含氟醇封端类有机物包括全氟丁烷醇、全氟己烷丁醇、含氟戊烷醇、全氟戊烷二醇中的至少一种。

4.如权利要求1或2所述的水系电解液，其特征在于，所述含氟醇羟基封端的有机物还包括同时含f、s或磺酸基的羟基封端类有机物。

5.如权利要求1所述的水系电解液，其特征在于，在所述水系电解液中所述添加剂的添加量为0.001-0.01mol/l。

6.一种如权利要求1至5任一项所述的水系电解液的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

7.如权利要求6所述的水系电解液的制备方法，其特征在于，所述金属盐包括锂盐或钠盐或钙盐或钾盐或铝盐。

8.如权利要求7所述的水系电解液的制备方法，其特征在于，所述锌盐包括硫酸锌、甲磺酸锌、三氟甲烷磺酸锌、双三氟甲烷磺酸亚胺锌、氯化锌六氟硅酸锌、高氯酸锌或硝酸锌中的至少一种。

9.如权利要求8所述的水系电解液的制备方法，其特征在于，所述锌盐的浓度为0.5～3mol/l。

10.如权利要求7所述的水系电解液的制备方法，其特征在于，在所述水系电解液中所述添加剂的添加量为0.001-0.01mol/l。

11.一种电池，其特征在于，包括权利要求6至10任一项所述的水系电解液。

技术总结
本申请提供的水系电解液，所述水系电解液包括添加剂，所述添加剂含氟醇羟基封端的有机物，本申请在水系电解液中引入少量含氟醇羟基封端的有机物可以促使添加剂中的羟基和水中氢形成分子间氢键，而打破水分子原来的氢键网络，从而达到抑制析氢副反应发生的效果，同时还能确保氢键网络中部分自由水的存在，保证电解液高的离子电导率，可将其应用在离子电池中，实现了大电流密度和沉积容量下的长循环寿命，具有广阔的应用前景。

技术研发人员：韩翠平,李媞媞,常彩云,许敏炜,成会明
受保护的技术使用者：深圳理工大学（筹）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13