CN111600080A - 一种提高水系电池低温性能的电解液添加剂及电解液 - Google Patents

一种提高水系电池低温性能的电解液添加剂及电解液 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高水系电池低温性能的电解液添加剂及电解液，属于电池技术领域。所述添加剂为含氢键受体的有机溶剂。将该添加剂加入水系电池电解液中，能够显著降低电解液的凝固点并提高电解液低温条件下的离子电导率，提升水系电池低温下的放电容量和库仑效率。本发明可使水系电池具有良好的常温、低温及高温充放电性能，适于工业化生产，在大规模储能领域具有潜在应用前景。

Description

一种提高水系电池低温性能的电解液添加剂及电解液
技术领域
本发明属于水系电池技术领域，具体涉及一种提高水系电池低温性能的电解液添加剂。
背景技术
大规模储能是人们有效利用风能、太阳能等可再生能源，构建全球能源互联网的技术基础，储能技术和产业受到各国的高度重视。各种新型电化学储能技术的研究开发发展迅速，主要有二次电池、电化学超级电容器和燃料电池等。电化学储能体系按其电解液分为有机体系和水系，即采用的电解液为有机电解液和水溶液。采用有机体系的化学电源因有机电解液的使用存在安全问题，成本较高，对环境的污染也较大。而水系化学电源可以很好地弥补这些缺点。
水系电池具有安全环保，资源丰富，成本低廉等优点，近年来受到了科研工作者的广泛关注。然而，水系电池的发展还有很多不足，一个常见的问题是当处于低温时，水系电池会损失其大部分容量和功率。电解液凝固和离子电导率不足被认为是造成这种情况的主要原因。因此，降低电解液凝固点、提升离子电导率对水系电池的实际应用至关重要，对于清洁能源的高效利用和新型能源社会的构建具有重大意义。
发明内容
本发明目的是解决现有水系电池体系不能在超低温度(低于-20℃)下使用的问题，提供一种提高水系电池低温性能的电解液添加剂，使电解液的凝固点明显降低，且电池在超低温度下(低于-20℃)具有很好的电化学性能。
本发明的技术方案
一种提高水系电池低温性能(具有超低凝固点)的电解液添加剂，所述添加剂为含酰胺基、羟基、羰基、亚砜基等氢键受体的有机溶剂，包括甲酰胺、乙二醇、丙三醇、丙酮、二甲基亚砜、二乙基亚砜、二丙基亚砜中的一种或几种。
本发明同时提供了一种提高水系电池低温性能的电解液，包括：溶剂水、电解质盐和上述添加剂；
所述电解液添加剂占总溶液的摩尔分数为0.1-0.9。
所述电解液中的电解质盐为包括Li2SO4、LiClO4、LiNO3、LiCl或CF3LiO3S等锂盐，NaClO4、NaNO3、NaCl、Na2SO4或CF3NaO3S等钠盐，K2SO4、KNO3或KCl等钾盐，ZnSO4、Zn(NO3)2、Zn(CH3OO)2或Zn(CF3SO3)2等锌盐中的一种或几种。电解质盐的浓度为0.5～2mol/L。
本发明的优点和有益效果：
本发明通过添加可以和水分子间形成氢键的添加剂，使电解液的凝固点显著降低。使得水系电解液在超低温下(低于-20℃)仍具有较高的电导率，从而保证电池的充放电循环正常进行，大幅提高了电池在低温极端条件下的放电容量和库仑效率，提升了水系电池低温下的电化学性能。本发明的水系电解液耐超低温，同时也具有很好的高温性能，且方案简单易行，适于工业化生产，在大规模储能领域具有潜在应用前景。
附图说明
图1是实施例1中水系电解液溶剂凝固点；
图2是实施例2中水系锂离子全电池在室温(25℃)、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃、-50℃、-55℃和-60℃，倍率1C下的充放电曲线图；
图3是实施例2中水系钠离子全电池在室温(25℃)和-50℃，倍率0.5C下的充放电曲线图；
图4是实施例3中水系钾离子全电池在室温(25℃)和-50℃，倍率0.5C下的充放电曲线图。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解，下面将结合附图对本发明作进一步说明。但是，本发明可以以多种不同形式实现，并不限于本文所描述的实施例。
实施例1：
本实施例提供一种耐超低温的水系电池电解液溶剂，其组成如下：电解液添加剂为二甲基亚砜，水和二甲基亚砜的混合溶液中二甲基亚砜占混合溶液的摩尔比为0.3。将混合溶液搅拌2～3min配制成电解液溶剂。
利用差示扫描量热仪测试该电解液溶剂的凝固点。测试结果参见图1，加入添加剂后该电解液溶剂凝固点达-130℃。
实施例2：
称取硫酸锂加入实施例1的电解液溶剂中，配制成0.5M硫酸锂电解液。以活性炭为正极、磷酸钛锂为负极组装成测试电池，测试温度为常温(25℃)、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃、-50℃、-55℃和-60℃，倍率为1C的电化学性能。
测试结果参见图2，该电池在-60℃低温下仍可以正常工作。
实施例3
称取高氯酸钠加入实施例1的电解液溶剂中，配制成2M高氯酸钠电解液。以活性炭为正极、磷酸钛钠为负极组装成测试电池，测试温度为常温和-50℃，倍率为0.5C的电化学性能。
测试结果参见图3，该电池在-50℃低温下仍可以正常工作且具有很好的容量保持率。
实施例4
称取氯化钾加入实施例1的电解液溶剂中，配制成1M氯化钾电解液。以活性炭为正极、聚酰亚胺为负极组装成测试电池，测试温度为常温和低温-50℃,倍率为0.5C的电化学性能。
测试结果参见图4，该电池在-50℃低温下仍可以正常工作且具有很好的容量保持率。

Claims (7)

1.一种提高水系电池低温性能的电解液添加剂，其特征在于，所述添加剂为含氢键受体的有机溶剂。
2.根据权利要求1所述的提高水系电池低温性能的电解液添加剂，其特征在于，所述含氢键受体的有机溶剂为含酰胺基、羟基、羰基或亚砜基的有机溶剂。
3.根据权利要求2所述的提高水系电池低温性能的电解液添加剂，其特征在于，所述含氢键受体的有机溶剂包括甲酰胺、乙二醇、丙三醇、丙酮、二甲基亚砜、二乙基亚砜或二丙基亚砜中的一种或几种。
4.一种提高水系电池低温性能的电解液，其特征在于，包括权利要求1至3任一项所述的添加剂。
5.根据权利要求4所述的提高水系电池低温性能的电解液，其特征在于，所述电解液包括溶剂水、电解质盐和权利要求4所述的添加剂。
6.根据权利要求5所述的提高水系电池低温性能的电解液，其特征在于，所述电解质盐为以下任意一种或几种：
锂盐，包括Li2SO4、LiClO4、LiNO3、LiCl或CF3LiO3S；钠盐，包括NaClO4、NaNO3、NaCl、Na2SO4或CF3NaO3S；钾盐，包括K2SO4、KNO3或KCl；锌盐，包括ZnSO4、Zn(NO3)2、Zn(CH3OO)2或Zn(CF3SO3)2；电解质盐的浓度为0.5～2mol/L。
7.根据权利要求4至6任一项所述的提高水系电池低温性能的电解液，其特征在于，所述电解液添加剂占总溶液的摩尔分数为0.1-0.9。
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