一种具有宽电化学稳定窗口的高浓度水系电解液及其应用制造技术

本发明专利技术涉及钠二次电池技术领域，特别涉及一种具有宽电化学稳定窗口的高浓度水系三氟乙酸钠电解液。电解液由三氟乙酸钠、水以及有机溶剂构成，高浓度水系电解液中三氟乙酸钠与（水+有机溶剂）的摩尔比高于三氟乙酸钠饱和水溶液中的三氟乙酸钠与水的摩尔比。本发明专利技术所制备的电解液具有高电化学窗口，并且可以抑制电极材料的溶解，从而在很大程度地提高水系钠二次电池的循环稳定性。次电池的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种具有宽电化学稳定窗口的高浓度水系电解液及其应用


[0001]本专利技术涉及水系钠离子电池
，特别涉及一种具有宽电化学稳定窗口的有机溶剂助力的高浓度三氟乙酸钠水系电解液。

技术介绍

[0002]随着风能、太阳能等可再生能源的发展，大规模固定式储能系统已成为电力可靠性和质量的关注焦点。水系钠离子电池具有环境友好、成本低、制造方便、安全性好、易于回收等优点，满足大规模储能系统的要求。但是，水的电化学窗口仅为1.23 V，极大限制了水系钠离子电池的输出电压和对于电极材料的选择，造成了水系钠离子电池的较低的能量密度。且由于无机电极材料在水中的溶解，造成了电池的低循环稳定性。因此，寻求合适的方法拓宽水系电解液的电化学窗口并减少电极材料溶解是诸多科研工作者共同努力的目标。
[0003]目前的研究主要通过提高水系电解质的盐浓度来提高其电化学性能。2015年，“盐中水”的概念被提出，并且在2017年应用在了水系钠离子电池电解质中（Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1701189），9.2 mol/kg的三氟甲基磺酸钠电解质通过使全部的水分子参与Na
+
的溶剂化层，以及在负极表面由阴离子分解形成含F的固态电解质界面层（SEI），将电解液的稳定电压窗口提升至了2.5 V。但是，由于常用的钠盐溶解度的限制，即使在饱和高浓盐中仍然存在少量的自由水，会对负极的SEI和电极材料进行侵蚀，导致析氢反应的发生和电极材料的容量衰减。

技术实现思路

[0004]鉴于现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种具有宽电化学稳定窗口的高浓度水系三氟乙酸钠电解液。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用技术方案为：一种具有宽电化学稳定窗口的高浓度水系三氟乙酸钠电解液，该水系电解液包括三氟乙酸钠、有机溶剂和水。该电解液由三氟乙酸钠、有机溶剂以及水按一定比例混合并搅拌至澄清溶液，所得溶液即为具有宽电化学稳定窗口的高浓度水系三氟乙酸钠电解液。
[0006]所述有机溶剂选自N
‑
甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜，N，N
‑
二甲基甲酰胺，N，N
‑
二甲基乙酰胺，乙酰胺、N，N
ꢀ‑
二甲基丙烯酰胺、尿素、甲基脲，四甲基脲，碳酸二甲酯，碳酸二乙酯，碳酸甲乙酯，碳酸乙烯酯，碳酸丙烯酯，碳酸亚乙烯酯，乙腈，丁二腈，戊二腈，己二腈，乙二醇二甲醚，二乙二醇二甲醚，甲醇，乙醇，丙醇，异丙醇，甘油，1，3
‑
二氧戊环，磷酸三甲酯，磷酸三乙酯等中的一种或几种。
[0007]所述高浓度水系电解液中三氟乙酸钠与（水+有机溶剂）的摩尔比高于三氟乙酸钠饱和水溶液中的三氟乙酸钠与水的摩尔比。
[0008]所述高浓度水系电解液中有机溶剂的最小添加量为使三氟乙酸钠溶解，最大添加量为使高浓度水系电解液中三氟乙酸钠/（水+有机溶剂）的摩尔比大于饱和三氟乙酸钠水溶液中三氟乙酸钠与水的摩尔比（约1 : 2.13）。
[0009]因三氟乙酸钠在不同有机溶剂溶解度不同，有机溶剂的最少添加量也不同，以有机溶剂乙腈为例，当三氟乙酸钠和水的摩尔比为1:1时，乙腈最少加入量为0.33，保证三氟乙酸钠在水和乙腈的混合溶剂中能够溶解。当有机溶剂为碳酸丙烯酯时，当三氟乙酸钠和水的摩尔比为1:1，碳酸丙烯酯的最少加入量为0.30，保证三氟乙酸钠在水和碳酸丙烯酯的混合溶剂中能够溶解。
[0010]所述高浓度水系电解液在使三氟乙酸钠溶解且三氟乙酸钠/（水+有机溶剂）的摩尔比大于三氟乙酸钠饱和水溶液中的三氟乙酸钠与水的摩尔比（约1:2.13）条件下，优选的，三氟乙酸钠/水/溶剂的摩尔比为1:(0.2
‑
2.12):(0.01
‑
1.93)，更优选的，三氟乙酸钠、水、有机溶剂的摩尔比为1:(0.5
‑
2):(0.1
‑
1.0)，进一步优选的，三氟乙酸钠、水、有机溶剂的摩尔比为1:(0.5
‑
1):(0.3
‑
1.0)。
[0011]所述水系电解液的电化学稳定窗口为2.6~3.1 V，所述水系电解液对于电极材料的溶解度比在三氟乙酸钠的饱和溶液中低。
[0012]所述的一种具有宽电化学稳定窗口的高浓度水系电解液在钠二次电池体系中的应用。
[0013]所述钠二次电池包括正极片、负极片、隔膜以及上述所述的水系电解液。
[0014]所述正极片正极活性物质材料为Na3V2(PO4)3，Na2FeMn(CN)6，NaNi
0.25
Mn
0.75
O2中的一种，所述负极片负极活性物质材料为Na3V2(PO4)3或者NaTi2(PO4)3。本专利技术制备的电解质组装的钠二次电池具有长循环稳定性。隔膜为钠二次电池常用隔膜，并不做限定。
[0015]本专利技术所具有的优点：通过引入有机溶剂，突破三氟乙酸钠在单纯水相中的极限溶解度（三氟乙酸钠饱和水溶液中三氟乙酸钠与水的摩尔比约1:2.13），提升水溶液的盐/水比，使水分子进入钠的溶剂化层，降低水的活性，促进在负极表面形成由阴离子分解的含F的稳定固态电解质界面层，使该电解液具有宽电化学稳定窗口（2.6~3.1 V）。同时，该电解液还能抑制电极材料的溶解，提高电池的长循环性能。
附图说明
[0016]图1为本专利技术实施例1提供的电解液在三电极中的循环伏安曲线。
[0017]图2为本专利技术实施例2提供的电解液在三电极中的循环伏安曲线。
[0018]图3为本专利技术实施例3提供的电解液在三电极中的循环伏安曲线。
[0019]图4为本专利技术实施例3提供的电解液组装的磷酸钒钠//磷酸钛钠电池的循环性能。
[0020]图5为本专利技术实施例3提供的电解液组装的磷酸钒钠//磷酸钛钠电池的第2圈的充放电曲线。
[0021]图6为本专利技术实施例3提供的电解液组装的电池循环后负极表面的X射线光电子能谱（XPS）的F 1s谱。
[0022]图7为本专利技术实施例3提供的电解液组装的磷酸钒钠//磷酸钒钠电池的充放电曲线。
[0023]图8为本专利技术对比例1提供的电解液在三电极中的循环伏安曲线。
[0024]图9为本专利技术对比例1提供的电解液组装的磷酸钒钠//磷酸钛钠电池的循环性能。
[0025]图10为本专利技术对比例1提供的电解液组装的磷酸钒钠//磷酸钒钠电池的充放电曲线。
具体实施方式
[0026]为了使本专利技术所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0027]电化学窗口的测定：以Ag/AgCl/饱和KCl标准电极（0.198 V vs. SHE）作为参比电极，以铂片作为对电极，以钛网作为工作电极，以1 mV/s的扫描速率使用三电极在VMP
‑
300型电化学工作站进行循本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有宽电化学稳定窗口的高浓度水系电解液，其特征在于：该水系电解液包括三氟乙酸钠、有机溶剂和水。2.按权利要求1所述的一种具有宽电化学稳定窗口的高浓度水系电解液，其特征在于：所述高浓度水系电解液中三氟乙酸钠与（水+有机溶剂）的摩尔比高于三氟乙酸钠饱和水溶液中的三氟乙酸钠与水的摩尔比。3.按权利要求1所述的一种具有宽电化学稳定窗口的高浓度水系电解液，其特征在于：有机溶剂最小添加量为使三氟乙酸钠溶解，最大添加量为使所述高浓度水系电解液中的三氟乙酸钠与（水+有机溶剂）摩尔比大于三氟乙酸钠饱和水溶液中的三氟乙酸钠与水的摩尔比。4.按权利要求1所述的一种具有宽电化学稳定窗口的高浓度水系电解液，其特征在于：所述高浓度水系电解液在使三氟乙酸钠溶解且三氟乙酸钠/（水+有机溶剂）的摩尔比大于三氟乙酸钠饱和水溶液中的三氟乙酸钠与水的摩尔比条件下，三氟乙酸钠/水/有机溶剂的摩尔比为1:(0.2
‑
2.12):(0.01
‑
1.93)。5.按权利要求1所述的一种具有宽电化学稳定窗口的高浓度水系电解液，其特征在于：所述有机溶剂选自N
‑
甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜，N，N
‑
二甲基甲酰胺，N，...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ五一IntClH零一M一零三六，
申请(专利权)人：青岛中科赛锂达新能源技术合伙企业有限合伙，
类型：发明
国别省市：