[发明专利]用气体添加剂辅助形成固态电解质界面膜的方法和电解液

说明书

本发明涉及一种用气体添加剂辅助形成固态电解质界面膜的方法和电解液。该方法包括：将电解质AB按一定浓度溶于水得到第一溶液；其中，A为阳离子，包括碱金属离子、碱土金属离子、Zn²⁺、Al ³⁺或离子液体基阳离子中的一种或者几种；B为含氟阴离子；将含有碳、氟、氧、氮元素气体中一种或几种作为气体添加剂引入第一溶液中，通过第一溶液中含氟阴离子的诱导，碳、氟、氧、氮元素中一种或几种与第一溶液中含氟阴离子之间通过电荷相互作用使得气体在第一溶液中富集，得到第二溶液；将第二溶液用作水系电池的电解液装配电池，对电池施加偏压，所加偏压大小为‑3.05至5V vs标准氢电极，时长为5分钟‑150小时，在电极表面生成离子导通、电子绝缘的固态电解质界面膜。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种用气体添加剂辅助形成固态电解质界面膜的方法和电解液。

背景技术

锂离子电池作为目前主流化学储能技术之一被广泛应用于消费类电子产品、新能源电动车以及储能领域，相比于其他化学储能方式，锂离子电池具有寿命长以及能量密度高的优势，但是这些优势是以具有宽化学窗口(0～5Vvs Li/Li⁺)的有机电解液作为支撑，而有机电解液在热失控的条件下容易达到闪点或者燃点以上，最终导致电池燃烧起火甚至爆炸，严重危害使用者生命安全。因此有机锂离子电池尽管性能优异，但是其安全问题一直受到消费者诟病。而开发水系电池替代有机电池体系无疑是一种有效且治本的解决方案。因为水是良好的阻燃剂，如果能用水来代替有机溶剂，电池的安全性能将会显著提高。

然而，受限于水的本征热力学分解电位的限制(1.23V)，水系电解液的稳定电化学窗口通常小于1.5V，而且不能在负极侧形成良好的固态电解质界面膜来抑制进一步的副反应，所以导致电池的能量密度偏低，实际工作寿命较短。

近期，一种新型宽电位窗口的高盐浓度(Water-in-Salt，WIS)水系电解质的引入首次将水系电解液稳定窗口由2V提高到3V以上，并且可以在负极侧形成抑制副反应的固态电解质界面膜，进而成功研制出输出电压2V以上高压水系锂离子电池。跟传统水系电池相比，其输出电压提高30％至50％，能量密度提升30％，突破了100Wh/kg。但与此同时，WIS电解液需要超高的盐浓度，这导致电解液的成本大大增加，同时超高的盐浓度带来的高黏度也限制了电池的动力学性能，如果能在降低电解液浓度的同时保证宽的电化学窗口，将会大大推动水系电池的实用性。

发明内容

本发明实施例提供了一种用气体添加剂辅助形成固态电解质界面膜的方法和电解液，利用含碳、氟、氧、氮元素的气体添加剂辅助形成固态电解质界面膜，在提升水系电池的循环稳定性的同时也使得动力学性能得到了大大改善。

第一方面，本发明实施例提供了一种用气体添加剂辅助形成固态电解质界面膜的方法，包括：

将电解质AB按一定浓度溶于水得到第一溶液；其中，A为阳离子，包括碱金属离子、碱土金属离子、Zn²⁺、Al³⁺或离子液体基阳离子中的一种或者几种；B为含氟阴离子；

将含有碳、氟、氧、氮元素中一种或几种的气体作为气体添加剂引入所述第一溶液中，通过第一溶液中含氟阴离子的诱导，所述碳、氟、氧、氮元素中一种或几种与所述第一溶液中含氟阴离子之间存在电荷相互作用使得气体在所述第一溶液中富集，得到第二溶液；

将第二溶液用作水系电池的电解液装配电池，对电池施加偏压，所加偏压大小为-3.05至5V vs标准氢电极(Standard Hydrogen Electrode，SHE)，所加偏压时长为5分钟-150小时，在电池的电极表面生成离子导通、电子绝缘的固态电解质界面膜。