[发明专利]一种低温下水系离子电池电解液添加剂

说明书

本发明提供了一种耐低温的水系离子电池电解液设计，通过向电解液中添加醋酸锆添加剂，实现低温下的长循环。本发明使用有规则间隔的羟基配位聚合物，一侧在冰晶表面形成氢键锚定聚合物网络，另一侧的疏水醋酸根离子形成一层疏水膜，对自由水分子产生排斥效应，从而抑制冰晶的生长。本发明所述方法步骤简单，操作方便，使用的添加剂价格便宜，对于水系锂/钠/钾/锌离子电池适应极端工作条件和商品化生产具有重要的意义。

技术领域

本发明属于水系离子电池技术领域，具体涉及一种低温下循环的水系锂/钠/钾/锌离子电池。

背景技术

与采用有机溶剂做电解液锂离子电池相比，水系离子电池采用无机盐作为电解液，具有更加安全、环保的优点。无机盐的毒性远小于有机物，且不易挥发、不易燃，更有可能在未来实现大规模的应用。然而，水系电解液目前也存在着较严重的问题，如低温工作条件下，水系电解液中的活性水易结冰，导致电池低温下无法正常工作。为低温条件下工作的AZIB开发合适的水系电解液仍然是一项挑战。

解决这一问题的传统策略是通过在电解质中添加添加剂(如有机溶剂)或通过添加更多的溶质(如无机盐或酸)来增加电解质的浓度，以防止水溶液在零度以下的温度下结冰。这些盐和酸的浓度通常高于常规浓度。例如，饱和LiCl溶液(16m)被用于低温水性锂离子电池，采用共晶点为-85℃的9.5m H₃PO₄电解质制备低温质子水电池。这两种策略的基本原理是通过有机溶剂或溶质与水分子的相互作用，防止水分子之间形成有序氢键网络，从而抑制冰晶的形成。

虽然这两种方法都能有效地降低电解质水溶液的凝固点，但仍存在一些明显的缺陷。对于前者，有机溶剂的引入会降低电解质的离子电导率，导致初始水相EES器件的室温性能下降。此外，有机溶剂的引入会破坏电解质水溶液的环境友好性，因为它们通常具有毒性和可蒸发性。此外，有机溶剂的成本相对于水的成本较高，这将增加最终电解液的成本。对于后者，高浓度的电解质在低温下盐析出严重，离子导电性低，会导致器件失效。此外，与常规浓度的电解质相比，添加溶质会显著增加电解质的成本。因此，开发在极低温下具有良好电化学性能的无有机溶剂、低浓度水电解质是迫切需要但仍具有挑战性的课题。

本发明从仿生的角度出发，参考了在极地生活的动植物体内存在的抗冻蛋白结构，探索了一种具有相似结构的低温电解质添加剂。该低温电解质添加剂具有特定的官能团，采用羟基桥聚合物结构，可以通过氢键与冰晶表面结合，从而减缓冰晶的生长，延长电池的使用寿命，改善电池循环性能。

发明内容

鉴于此，本发明采用仿生官能团设计的电解质调制方法，提供了一种具有特定、规则间隔官能团的添加剂，通过采用羟基桥聚合物结构，可以形成氢键与冰晶表面结合，从而减缓冰晶的生长，延长低温工作下电池的循环寿命。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种低温水系离子电池电解液添加剂，其特征在于：所述水系离子电池含有可抑制冰晶生长的添加剂。其结构式如下：

以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

作为本发明优选的技术方案，权利要求2所述的低温水系离子电池电解液添加剂，一分子中含有一个锆原子和四个含氧官能团，其中含氧官能团可来自于乙酸、羟基、羧基等；

优选的，为四个乙酸基团。

作为本发明优选的技术方案，权利要求3所述的低温水系离子电池电解液添加剂质量占水系离子电池电解液总质量的5％～10％；

优选的，添加剂质量占水系离子电池电解液总质量的5％。