一种低成本高浓度混合双盐电解液及其制备方法

1.本发明属于电解液技术领域，尤其涉及一种低成本高浓度混合双盐电解液及其制备方法。


背景技术：

2.目前，传统有机电解液存在可燃性高，热稳定性差，电化学窗口较窄以及离子转移数较低等缺点严重阻碍了储能的应用。而水系电解液存在高离子电导率、操作安全、成本低等优势，受到全世界研究者的持续关注。然而水系电解液受限于水的分解电位(1.23v vs.rhe)，使其电位窗口普遍较低，根据能量密度(e)计算公式：e＝1/2cv2，其比能量密度普遍低于10wh/kg，从而限制了其进一步实际应用。水系电解液可以分为酸性、碱性和中性。由于酸性、碱性电解液存在较高的h

、oh-，使得水的解离变得容易，从而使得一些水系储能器件的电位窗口普遍小于1.5v。而中性电解液的h

和oh-的浓度较低，因此析出氢气与氧气的过电位较高，其电位窗口可以增加到2v左右，但依然不能满足工业的要求。
3.当中性电解液中盐的浓度持续增加到接近饱和时，其中“自由”水分子数小于溶质分子数可以进一步形成盐包水电解液(wises)，这时几乎所有的水分子都参与到金属离子的溶解，没有自由水使得水的解离难以进行，从而可以大大增加其电位窗口。2015年，王春生教授在science上首次提出了这个革命性概念。近几年来，各种各样的wises被开发出来用于宽电位能量存储装置，如超级电容器、锂电池、钠电池等储能器件中。然而wises在应用过程中依然存在一些短板，如高粘度，较低的离子导电性等，亟需进一步的设计和优化。其次，电解液双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂成本较高，不具备成本优势。因此开发低成本，低粘度，高离子导电性的wises具有较大的研究价值。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的盐包水电解液的粘度高，较低的离子导电性等限制了储能器件的快速充放电，而且成本较高，不具备成本优势。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种低成本高浓度混合双盐电解液及其制备方法。
6.本发明是这样实现的，一种低成本高浓度混合双盐电解液的制备方法，包括：
7.步骤一，先将钠盐溶于去离子水中，在一定温度下加热促进溶解，制成一定浓度溶液，钠盐的电解液具有绿色安全、稳定、价廉、较高的离子导电率等特点；其中所述高浓度钠双盐电解液先在水中溶解钠盐，形成澄清均一溶液然后在上述澄清均一溶液中溶解钾盐，加盖密封。
8.步骤二，将一定量钾盐在一定温度下溶于上述溶液中，通过超声处理进一步促进其溶解，形成均一稳定的高浓度双盐电解液，其中选用不同阴阳离子的盐，可以使阴阳离子在溶剂中的溶解作用不相互影响，从而进一步增大阴阳离子的溶解量，提高阴阳离子与自由水分子比例，进一步拓宽电位窗口。
9.其中，电解液所述的浓度计算是用电解质的物质的量比上溶剂水的体积计算而得，
10.进一步，所述步骤一中的钠盐为硝酸钠、高氯酸钠、甲酸钠和丙酸钠的一种或几种。
11.进一步，所述步骤二中的钾盐为硝酸钾、甲酸钾、乙酸钾和丙酸钾的一种或几种。
12.进一步，所述钠盐和钾盐的摩尔比为1:1～20:1。
13.进一步，所述水溶剂为去离子水。
14.进一步，所述步骤一制得的钠盐浓度为1～20mol/l。
15.进一步，所述钾盐浓度为1～20mol/l。
16.本发明的另一目的在于提供一种低成本高浓度混合双盐电解液，其中电解液中自由水分含量低于10ppm，从而可以避免水分的解离，表现出较高的典韦窗口。所述低成本高浓度混合双盐电解液是采用所述低成本高浓度混合双盐电解液的制备方法制备而成，该制备方法具有成本低，方法简单，且不涉及大型化工设备和复杂反应过程，易于工业放大的特点；且所制得的高浓度混合双盐电解液具备低粘度、高离子电导率、宽电位窗口的特点。
17.结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
18.本发明制备了空气中稳定存在水系电解液；该电解液具有较宽的电位窗口(2.3-3.5v)、较低粘度和较高的电导率。本发明制得的水系电解液在空气中稳定存在，且通过双阴离子或双阳离子的设计，可以进一步抑制析氢反应，因此该电解液表现出较宽电位窗口，无大分子电解质表现出较低粘度。
19.本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：采用双阴离子或双阳离子的设计，可以进一步抑制析氢反应，因此该电解液表现出较宽电位窗口，无大分子电解质表现出较低粘度。而且所用的盐均为低成本盐具有较高的商业价值。
附图说明
20.图1本发明实施例1、2和3的拉曼谱图。
21.图2本发明实施例1、2和3的电导率图。
22.图3本发明实施例1、2和3的循环伏安图。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
25.本发明实施例提供的低成本高浓度混合双盐电解液的制备方法包括：
26.s101，先将钠盐溶于水溶剂，在一定温度下加热促进溶解，制成一定浓度溶液；
27.s102，将一定量钾盐溶于上述溶液中，形成均一稳定的高浓度双盐电解液。
28.本发明实施例中的钠盐为硝酸钠、高氯酸钠、甲酸钠和丙酸钠的一种或几种。
29.本发明实施例中的钠盐钾盐为硝酸钾、甲酸钾、乙酸钾和丙酸钾的一种或几种。
30.本发明实施例中的钠盐：钾盐的摩尔比为1:1～20:1。
31.本发明实施例中的水溶剂为去离子水。
32.本发明实施例中的步骤一制得的溶液浓度为1～20mol/l。
33.本发明实施例中的钾盐浓度为1～20mol/l。
34.为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
35.实施例1
36.(1)先将丙酸钠溶于热水制成10mol/l溶液，在将一定量甲酸钾溶于上述溶液中，甲酸钾浓度为8mol/l，形成均一稳定的高浓度双盐电解液。
37.实施例2
38.(2)先将甲酸钠溶于热水制成10mol/l溶液，在将一定量甲酸钾溶于上述溶液中，甲酸钾浓度为10mol/l，形成均一稳定的高浓度双盐电解液。
39.实施例3
40.(3)先将甲酸钠溶于热水制成12mol/l溶液，在将一定量丙酸钾溶于上述溶液中，丙酸钾浓度为5mol/l，形成均一稳定的高浓度双盐电解液。
41.本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
42.根据实施例所获得的电解液的拉曼谱图(图1)，纯水中在1200-1600cm-1
,无明显峰。在三种电解液中出现的1352cm-1
的峰为酸中的c-h键的摇摆振动峰，实施例1，3中出现的1425cm-1
的峰来源于丙酸的h-c-h的非对称摇摆振动峰，说明盐包水状态的形成。
43.根据实施例所获得的电解液的电导率图(图2)，传统单盐包水电解液中21mol/l litfsi的离子导电率为7.51ms/cm；17mol/l的高氯酸钠的离子导电率为64.2ms/cm；9.2mol/l naotf(三氟甲基磺酸钠)的离子导电率为50ms/cm；对于已报道的32mol/l kac 8mol/l liac的离子导电率为5.3ms/cm；32mol/lkac 8mol/l naac的离子导电率为27ms/cm；21mol/l litfsi 7mol/lliotf的离子导电率为4.4ms/cm。而依实施例所获得的三种电解液的电导率分别为68.9，109.8，75.1ms/cm，说明其较高的离子导电率。
44.根据实施例所获得的电解液的循环伏安图(图3)，用活性炭为电极正负极，在50mv/s的扫描速度下，在-1.5-2.5的电位窗口下进行扫描。三种电解液的负极窗口在-1.4v未见到明显的极化现象，正极窗口达到2v也未见到明显的极化现象。说明其在-1.4v的负电位下未发生析氢现象，在2v的正电位下未发生析氧现象，说明其可以抑制水的解离，具有3.4v的较宽的电位窗口。
45.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。