[发明专利]一种具有不燃性的水系电池有效

专利信息
申请号: 202110428515.1 申请日: 2021-04-21
公开(公告)号: CN113140807B 公开(公告)日: 2022-08-05
发明(设计)人: 谢健;孙云坡;许峥;赵新兵 申请(专利权)人: 浙江大学
主分类号: H01M10/36 分类号: H01M10/36
代理公司: 杭州知闲专利代理事务所(特殊普通合伙) 33315 代理人: 朱朦琪
地址: 310058 浙江*** 国省代码: 浙江;33
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摘要:
搜索关键词: 一种 具有 不燃性 水系 电池
【说明书】:

发明公开了一种具有不燃性的水系电池,包括正极、负极和水系电解液,水系电解液包括水、有机溶剂和盐;有机溶剂选自乙醇和聚乙二醇;以水与有机溶剂组成的混合溶剂的总重量计,水的含量为10~90%。本发明公开的水系电池,采用特殊组成的水系电解液,不仅拓宽了电解液的电化学窗口,有利于使用高电压的正极材料,从而提高电池的能量密度;同时,电极材料在混合溶剂中的稳定性提高,可提高水系电池的循环寿命,并且通过电解液组分的优化,在高有机溶剂含量下,电解液仍具有不燃性,且所用有机溶剂价格低廉,有效降低了生产成本。

技术领域

本发明涉及储能电池的技术领域,尤其涉及一种具有不燃性的水系电池。

背景技术

随着对日益严重的能源、环境问题的考虑,开发太阳能、风能、潮汐能等清洁、可再生能源迫在眉睫。而这类清洁、可再生能源受时间、气候的影响较大,具有不稳定、不连续、不可控等缺点。要提高这类清洁能源的使用效率,需要高性能的储能电池,其中廉价、安全性是重要指标。

水系电解质由于廉价、安全、环保受到广泛兴趣,但水系电解质由于电化学窗口较窄,不利于使用高电压正极材料,影响电池的能量密度。另外,电极材料在水溶液中不稳定,特别是当电池充电至高电压下。因此,如何提高水系电池的电化学窗口、提高电材料在水溶液中的稳定性是这一领域面临的问题。

现有的方法,如使用高浓度盐、使用电解液添加剂可以一定程度上提高水系电池的电化学窗口、提高材料在水溶液中稳定性,但往往面临成本高,降低离子扩散速率的问题。此外,还有通过添加有机溶剂的方法来解决上述问题,如《Adv.Funct.Mater.》2019,29,1904136中,通过在水中添加乙腈虽可拓宽水系电解液的电化学窗口,但这建立在使用高浓度的锂盐,且使用了有毒和价格较高的乙腈。

鉴于此,需要开发一种简单、廉价的既能拓宽水系电池电化学窗口、又能提高电极材料稳定性,且电池具有安全性的方法。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题,本发明公开了一种水系电池,采用特殊组成的水系电解液,不仅拓宽了电解液的电化学窗口,有利于使用高电压的正极材料,从而提高电池的能量密度;同时,电极材料在混合溶剂中的稳定性提高,可提高水系电池的循环寿命,并且通过电解液组分的优化,在高有机溶剂含量下,电解液仍具有不燃性,且所用有机溶剂价格较低。

具体技术方案如下:

一种具有不燃性的水系电池,包括正极、负极和水系电解液:

所述水系电解液包括水、有机溶剂和盐;

所述有机溶剂选自乙醇和聚乙二醇;

以水与有机溶剂组成的混合溶剂的总重量计,所述水的含量为10~90%。

相较于乙腈,乙醇具有价格低廉、无毒的明显优势,经试验发现,将其与水混合后作为水系电池的电解液可以大幅拓宽水系电池电化学窗口并提高水系电池的循环寿命,并随着乙醇含量的升高,水系电池的循环寿命随之增加;当乙醇与水混合溶剂中,乙醇含量达到60%时,以普鲁士蓝为正极活性材料,以锌片为负极组装的水系电池为例,500次循环容量保持率高达91%;但经燃烧试验发现,当乙醇与水混合溶剂中,乙醇含量超过30%就会开始燃烧,这导致在保证水系电池安全性的基础上,单独以乙醇/水混合作为水系电解液的溶剂时,无法有效解决拓宽水系电池电化学窗口并提高电极材料稳定性的问题。

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