CN109616699B - 一种电池电解液和水系离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电解液技术领域，具体涉及一种电池电解液和水系离子电池及其制备方法。本发明提供的电池电解液包括十二烷基苯磺酸盐、锌盐、锂盐和水；所述电池电解液中十二烷基苯磺酸盐的质量分数为0.05～1％。本发明采用十二烷基苯磺酸盐作为添加剂，能够使电池电解液形成溶胶状态，有效提高所述电池电解液的稳定性，进而可以有效减少电池漏液、减轻电解液对集流体的腐蚀、减少电极的脱落等问题，最终使水系锂子电池的充放电性能以及使用寿命得到改善。

Description

一种电池电解液和水系离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及电解液技术领域，具体涉及一种电池电解液和水系离子电池及其制备方法。
背景技术
铅酸电池价格非常廉价，具有极高的性价比，占据着储能领域的绝对市场份额。但是铅酸电池具有寿命较低、能量密度也相对较低、铅污染严重等缺点。锂离子电池伴随大规模生产，其生产成本得到了极大的降低，但其生产成本仍然要远高于铅酸电池，并且大规模储能应用存在极大安全隐患以及环境污染问题。
近几年来出现一种新型水系二次电池，该二次电池的负极一般采用锌，在负极发生可逆的还原沉积-氧化溶解反应；正极可以采用传统的锂离子电池正极材料，比如LiMn2O4、LiFePO4、LiCoO2以及镍钴锰三元材料等，在充放电过程中发生可逆的嵌入-脱嵌反应。该类型电池的电解液为水溶液，呈弱酸性，对环境友好，并且不存在安全隐患。因此，该类型电池非常有希望成为下一代储能电池。
但是目前该水系离子电池出现时间较短，仍存在一些问题亟待解决：如稳定性差、库伦效率低、使用寿命短。因此，该水系离子电池还存在巨大的改进以及研究完善空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电池电解液和水系离子电池及其制备方法，采用本发明提供的电池电解液组装的水系离子电池循环性能好，使用寿命长。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种电池电解液，包括十二烷基苯磺酸盐、锌盐、锂盐和水；所述电池电解液中十二烷基苯磺酸盐的质量分数为0.05～1％。
优选地，所述十二烷基本磺酸盐的阳离子为金属离子。
优选地，所述金属离子对应的金属元素包括K、Na、Mg、Ca、Fe、Ni、Mn或Cu。
优选地，所述电池电解液中锌盐的浓度为0.1～2.5mol/L。
优选地，所述锌盐包括硫酸锌、乙酸锌、氯化锌和硝酸锌中的一种或者几种。
优选地，所述电池电解液中锂盐的浓度为0.1～2.5mol/L。
优选地，所述锂盐包括碳酸锂、氯化锂、硫酸锂、醋酸锂和硝酸锂中的一种或者几种。
本发明提供了一种水系离子电池，包括外壳、封装在所述外壳内的电芯和填充在所述外壳和电芯之间的电池电解液，所述电芯由依次叠层设置的正极、隔膜和负极形成，所述电池电解液为上述技术方案任一项所述电池电解液。
优选地，所述负极的活性物质包括锌粉或锌箔；正极的活性物质包括LiFePO4、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2和镍钴锰三元材料中的一种或几种。
本发明提供了上述技术方案所述水系离子电池的制备方法，包括以下步骤：
将正极、隔膜和负极依次叠放固定在一起，得到电芯；
将所述电芯在电池电解液中进行浸润，得到浸润电芯；
将所述浸润电芯封装于外壳内，得到水系离子电池。
本发明提供了一种电池电解液，包括十二烷基苯磺酸盐、锌盐、锂盐和水；所述电池电解液中十二烷基苯磺酸盐的质量分数为0.05～1％。本发明采用十二烷基苯磺酸盐作为添加剂，在所述添加量范围内能够使电池电解液形成溶胶状态，有效提高所述电池电解液的稳定性，进而可以有效减少电池漏液、减轻电解液对集流体的腐蚀、减少电极的脱落等问题。同时，十二烷基苯磺酸盐，在此电池体系中比较稳定，不易分解，不会对电池性能产生负面作用，最终使水系锂子电池的充放电性能以及使用寿命得到改善。
附图说明
图1为采用实施例1和对比例1中电池电解液组装所得电池的循环性能比较图；
图2为采用实施例2和对比例2中电池电解液组装所得电池的循环性能比较图。
具体实施方式
本发明提供了一种电池电解液，包括十二烷基苯磺酸盐、锌盐、锂盐和水；所述电池电解液中十二烷基苯磺酸盐的质量分数为0.05～1％。
本发明提供的电池电解液包括十二烷基苯磺酸盐，所述电池电解液中十二烷基苯磺酸盐的质量分数为0.05～1％，优选为0.1～0.5％，更优选为0.2～0.3％。本发明采用十二烷基苯磺酸盐作为添加剂，在所述添加量范围内能够使电池电解液形成溶胶状态，有效提高所述电池电解液的稳定性，进而可以有效减少电池漏液、减轻电解液对集流体的腐蚀、减少电极的脱落等问题。同时，十二烷基苯磺酸盐，在此电池体系中比较稳定，不易分解，不会对电池性能产生负面作用，最终使水系锂子电池的充放电性能以及使用寿命得到改善。在本发明中，所述十二烷基本磺酸盐的阳离子优选为金属离子；所述金属离子对应的金属元素优选包括K、Na、Mg、Ca、Fe、Ni、Mn或Cu，更优选为Na。在本发明的实施例中，具体采用的是十二烷基苯磺酸钠(SDBS)。
本发明提供的电池电解液包括锌盐，所述电池电解液中锌盐的浓度优选为0.1～2.5mol/L，更优选为0.5～2mol/L，进一步优选为1～1.5mol/L。本发明对于所述锌盐的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的锌盐即可。在本发明中，所述锌盐优选包括硫酸锌、乙酸锌、氯化锌和硝酸锌中的一种或者几种，更优选包括硫酸锌；在本发明的实施例中，具体采用的是七水合硫酸锌(ZnSO4·7H2O)。
本发明提供的电池电解液包括锂盐，所述电池电解液中锂盐的浓度优选为0.1～2.5mol/L，更优选为0.5～2mol/L，进一步优选为1～1.5mol/L。本发明对于所述锂盐的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的锂盐即可。在本发明中，所述锂盐优选包括碳酸锂、氯化锂、硫酸锂、醋酸锂和硝酸锂中的一种或者几种，更优选为硫酸锂。
本发明提供的电池电解液包括水，所述水是作为电池电解液的溶剂。本发明对于所述水没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的水即可；在本发明的实施例中，具体采用的是去离子水。
本发明对于所述电池电解液的制备方法没有特殊的限定，将各组分按上述配比进行混合即得到所述电池电解液。本发明对于所述各组分的加料顺序以及混合方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的技术方案将各组分充分混合即可。本发明优选将锌盐、锂盐和水搅拌混合，然后将所得混合液与十二烷基苯磺酸盐继续搅拌混合，得到电池电解液。在本发明中，所述搅拌优选为磁力搅拌；本发明对于所述磁力搅拌的转速和时间没有特殊的限定，能够将各组分充分混合即可。
本发明提供了一种水系离子电池，包括外壳、封装在所述外壳内的电芯和填充在所述外壳和电芯之间的电池电解液，所述电芯由依次叠层设置的正极、隔膜和负极形成，所述电池电解液为上述技术方案所述电池电解液。
本发明提供的水系离子电池包括外壳，本发明对于所述外壳的材质没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的外壳即可；在本发明的实施例中，具体采用铝塑膜作为水系离子电池的外壳。
在本发明中，所述水系离子电池包括封装在所述外壳内的电芯，所述电芯由依次叠层设置的正极、隔膜和负极形成。在本发明中，所述负极的活性物质优选包括锌粉或锌箔，更优选为锌粉；正极的活性物质优选包括LiFePO4、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2和镍钴锰三元材料中的一种或几种，更优选为LiMn2O4。本发明对于所述隔膜没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的隔膜即可；在本发明的实施例中，具体采用AGM膜作为隔膜。
在本发明中，所述水系离子电池包括填充在所述外壳和电芯之间的电池电解液，所述电池电解液为上述技术方案所述电池电解液。本发明对于所述电池电解液的填充量没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的填充量即可。
本发明提供了上述技术所述水系离子电池的制备方法，包括以下步骤：
将正极、隔膜和负极依次叠放固定在一起，得到电芯；
将所述电芯在电池电解液中进行浸润，得到浸润电芯；
将所述浸润电芯封装于外壳内，得到水系离子电池。
本发明将正极、隔膜和负极依次叠放固定在一起，得到电芯。本发明对于所述固定的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的固定方式即可。
得到电芯后，本发明将所述电芯在电池电解液中进行浸润，得到浸润电芯。在本发明中，所述浸润优选在-0.1MPa条件下进行；所述浸润的时间优选为1.5～2.5h，更优选为2h。在本发明中，所述浸润的温度优选为室温。
得到浸润电芯后，本发明将所述浸润电芯封装于外壳内，得到水系离子电池。本发明对于所述封装的方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的封装方法即可。在本发明的实施例中，具体是在在220～230℃条件下，用封口机将浸润电芯封装于外壳内，得到水系离子电池。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将115.024g七水合硫酸锌(ZnSO4·7H2O)、22g硫酸锂(Li2SO4)和200mL去离子水混合，磁力搅拌10min；然后加入十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，继续磁力搅拌10min，得到电池电解液，其中，所述电池电解液中ZnSO4浓度为2mol/L，Li2SO4浓度为1mol/L，十二烷基苯磺酸钠质量含量为0.2％。
实施例2
将57.512g七水合硫酸锌(ZnSO4·7H2O)、22g硫酸锂(Li2SO4)和200mL去离子水混合，磁力搅拌10min；然后加入十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，继续磁力搅拌10min，得到电池电解液，其中，所述电池电解液中ZnSO4浓度为1mol/L，Li2SO4浓度为1mol/L，十二烷基苯磺酸钠质量含量为0.1％。
对比例1
按照实施例1的方法制备电池电解液，不同之处在于，不添加十二烷基苯磺酸钠。
对比例2
按照实施例2的方法制备电池电解液，不同之处在于，不添加十二烷基苯磺酸钠。
利用实施例1～2和对比例1～2制备的电池电解液组装电池，包括以下步骤：
以LiMn2O4作为正极的活性物质，锌粉作为负极的活性物质，涂布制备正极和负极，并裁成6×6cm尺寸的正极和负极，用AGM膜作为隔膜，将所述正极、隔膜和负极依次叠放固定在一起，得到电芯；
将所述电芯放入电池电解液中，在-0.1MPa条件下浸润2h，得到浸润电芯；
以铝塑膜作为外壳，在220℃条件下，用封口机将所述浸润电芯封装于所述铝塑膜内，得到水系锂子电池。
对所述水系锂子电池进行充放电测试；其中，所述充放电测试过程中电池充放电电流为0.5C，充放电截止电压范围为1.5～2.1V。
图1为采用实施例1和对比例1中电池电解液组装所得电池的循环性能比较图，图2为采用实施例2和对比例2中电池电解液组装所得电池的循环性能比较图。由图1可知，对比例1中电池在循环257次之后，电池容量迅速下降，而添加0.2％的十二烷基苯磺酸钠添加剂后，电池在循环670之后，容量才开始下降，循环性能得到大幅提升。图2可知，对比例2中电池在循环200次以后，电池容量开始降低，而添加0.1％的十二烷基苯磺酸钠后，可以循环550次以上，循环性能也得到了大幅提升。这说明与未添加十二烷基苯磺酸钠的电解液相比，通过对电解液添加一定比例的十二烷基苯磺酸钠，能够有效提升电池的循环性能，延长电池循环寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电池电解液，包括十二烷基苯磺酸盐、锌盐、锂盐和水；所述电池电解液中十二烷基苯磺酸盐的质量分数为0.05～1％；所述十二烷基苯 磺酸盐的阳离子为金属离子；所述金属离子对应的金属元素包括K、Na、Mg、Ca、Fe、Ni、Mn或Cu。
2.根据权利要求1所述的电池电解液，其特征在于，所述电池电解液中锌盐的浓度为0.1～2.5mol/L。
3.根据权利要求1或2 所述的电池电解液，其特征在于，所述锌盐包括硫酸锌、乙酸锌、氯化锌和硝酸锌中的一种或者几种。
4.根据权利要求1所述的电池电解液，其特征在于，所述电池电解液中锂盐的浓度为0.1～2.5mol/L。
5.根据权利要求1或4所述的电池电解液，其特征在于，所述锂盐包括碳酸锂、氯化锂、硫酸锂、醋酸锂和硝酸锂中的一种或者几种。
6.一种水系离子电池，包括外壳、封装在所述外壳内的电芯和填充在所述外壳和电芯之间的电池电解液，所述电芯由依次叠层设置的正极、隔膜和负极形成，所述电池电解液为权利要求1～5任一项所述电池电解液。
7.根据权利要求6所述的水系离子电池，其特征在于，所述负极的活性物质包括锌粉或锌箔；正极的活性物质包括LiFePO4、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2和镍钴锰三元材料中的一种或几种。
8.权利要求6或7所述水系离子电池的制备方法，包括以下步骤：
将正极、隔膜和负极依次叠放固定在一起，得到电芯；
将所述电芯在电池电解液中进行浸润，得到浸润电芯；
将所述浸润电芯封装于外壳内，得到水系离子电池。
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