[发明专利]一种水系电解液及其应用

说明书

本发明公开了一种水系电解液，包括限域水分子功能溶质、水和电解质；其中，所述限域水分子功能溶质选自锌的卤化物，且所述限域水分子功能溶质在所述水系电解液中的质量百分含量为50％以上；所述电解质为碱金属和/或碱土金属的可溶性盐。该水系电解液具备高电压窗口和宽工作温度区间，适用于高压耐低温的水系混合超级电容器。本发明还公开了该水系电解液的应用以及包含该水系电解液的电化学储能器件。

技术领域

本发明涉及电化学储能领域。更具体地，涉及一种水系电解液及其应用。

背景技术

超级电容器是一种介于传统电容器和二次电池之间的电化学储能器件，在智能仪表、新能源车辆、军用高功率电源等领域都有广泛的应用。超级电容器具有超高的功率密度，是二次电池的数十倍以上；具有超长的寿命，可达到50万次以上的循环寿命及十年以上的日历寿命；但超级电容器也存在能量密度较低的缺点，制约着其发展及应用。为了提高超级电容器的储能密度，研究者通常从开发高比容的电极材料和提升器件的工作电压两方面开展工作。

提升器件的工作电压，对于提高超级电容器的能量密度也可以起到非常显著的作用。从电容储能计算公式E＝CU²/2可知，提升工作电压U可显著提升超级电容器的能量存储。超级电容器的工作电压主要由电解液本身的电化学稳定窗口及电解液与电极材料之间的匹配性能决定。超级电容器的电解液通常有水基电解液和有机电解液两种。水溶液体系电解液是最早应用于超级电容器的电解液，其主要优点是电导率高，可以有效降低器件内部电阻，电解质分子直径较小，容易与微孔充分浸润，便于充分利用表面积，且价格较为低廉。但是传统的水系电解液受限于水的分解电压低(1.23V)，电化学窗口小，且其中强酸或强碱有较强的腐蚀性，对封装要求苛刻且不利于操作。目前商品化的超级电容器大部分都采用有机体系电解液，采用有机体系电解液来替代水系电解液的超级电容器工作电压可以从0.9V提高到2.5-2.7V。有机电解液常用的电解质盐一般采用季铵盐，其生产成本高，采用的有机溶剂易燃，安全性差。

相比较而言，水系电解液具有更低阻抗、高功率、环保安全等优点，但受制于较小的电化学稳定电压窗口，在超级电容器领域的商业化应用落后于有机体系。令人鼓舞的是，近年来关于高电压水系电解液的研究已取得突破，2015年底，Science杂志报道了Suo等人的发现(Science,2015,350,938.)，其提出的“water-in-salt”体系可以大幅提升电解液的电化学窗口，显示出水系电解液有望获得接近有机体系的工作电压。然而目前仍然面临着成本高昂，界面相容性差、耐高压、低温性差等问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种水系电解液，该水系电解液具备高电压窗口和宽工作温度区间，适用于高压耐低温的水系混合超级电容器。

本发明的第二个目的在于提供如上第一个目的提供的水系电解液在电化学储能器件中的应用。

本发明的第三个目的在于提供一种电化学储能器件。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种水系电解液，包括限域水分子功能溶质、水和电解质；其中，

所述限域水分子功能溶质选自锌的卤化物，且所述限域水分子功能溶质在所述水系电解液中的质量百分含量为50％以上；

所述电解质为碱金属和/或碱土金属的可溶性盐。

研究发现，在水系电解液中添加质量百分含量高达50％以上的锌的卤化物的限域水分子功能溶质，通过该高浓度的限域水分子功能溶质与电解液中的水分子相互作用，使得电解液中几乎所有水分子通过范德华力与该限域水分子功能溶质的阴阳离子紧密相连，抑制了水分子在电极表面的电解；另外，由于几乎没有自由水分子的存在，导致了水系电解液中的氢键急剧减少从而大大降低了水系电解液的冰点，拓宽了电解液的工作温度(耐受的温度区间为-40℃～60℃)，提高了其电压窗口(不低于2.5V)，改善了电化学储能器件的容量保持率和使用寿命，极大的提高了电化学储能器件的电化学性能。