锌基双离子电池及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种锌基双离子电池，包括正极和负极，设置在所述正极和所述负极之间的隔膜，以及电解液，其中，所述电解液为非水锌盐电解液；所述正极包括正极集流体和结合在所述正极集流体表面的正极材料，所述正极材料中含有正极活性材料，且所述正极活性材料为能容许组成锌盐的阴离子可逆嵌入脱出的层状材料；所述负极为金属箔片，所述金属箔片同时作为负极集流体和负极活性材料，且所述金属箔片为可供锌离子可逆沉积溶解或能可逆地与锌进行合金化反应的金属箔片。

Zinc based double ion batteries and their preparation methods

The present invention provides a zinc based double ion battery, including a positive pole and a negative electrode, a diaphragm and an electrolyte between the positive pole and the negative electrode, in which the electrolyte is a non water zinc salt electrolyte, and the positive electrode includes a positive electrode and a positive pole combined with the surface of the positive electrode. The material contains positive active material, and the positive active material is a layered material that can allow the anion of the zinc salt to be reversibly embedded. The negative electrode is a metal foil, the metal foil is used as a negative collector and a negative active material, and the metal foil is reversible or can be dissolved or able to provide a reversible deposition of zinc ions. Metallic foil that reversibly reacts with zinc.

【技术实现步骤摘要】
锌基双离子电池及其制备方法
本专利技术属于新能源
，尤其涉及一种锌基双离子电池及其制备方法。
技术介绍
二次电池也称为可充电电池，是一种可重复充放电、使用多次的电池。相比于不可重复使用的一次电池，二次电池具有使用成本低、对环境污染小的优点。目前主要的二次电池技术有铅酸电池、镍铬电池、镍氢电池、锂离子电池。其中尤其以锂离子电池应用最为广泛。近年来，锂离子电池大规模运用于便携式电子器件及动力汽车领域，使得锂的需求量呈现出爆发式增长，而锂的全球储量十分有限且分布不均，造成原材料价格上涨迅猛，严重制约了相应储能领域的发展。锌离子电池是近年来发展起来的一种新型二次电池，其具有高能量密度、高功率密度、充放电过程高效安全、电池材料无毒廉价、制备工艺简单等优点，在大型储能等领域具有很高应用价值和发展前景，在近些年得到了越来越广泛的关注。锌离子电池的工作原理与锂离子电池类似，在锌离子电池中，锌离子在金属锌负极的表面快速可逆的沉积和溶解，并在正极材料中可逆的嵌入或脱出。常见的锌离子电池是以二氧化锰、五氧化二钒及金属铁氰化物等为正极活性材料，以金属锌为负极活性材料，含有锌盐的水溶剂作为电解液。目前常见的锌离子电池基本都是基于水系电解液，一方面，在水系电解液中，由于锌电极表面分布不均匀，导致不同区域电位不同，从而构成无数个共同作用的腐蚀微电池。腐蚀会造成电池自放电，从而降低锌的利用率和电池容量。而且，在电池的密封环境中，腐蚀过程产生的氢气，造成电池内压增加，当内压累计增加到一定程度时，会引发电解液的泄漏甚至爆炸，引发安全事故。另一方面，水系锌离子电池放电过程直接生成了难溶性ZnO或Zn(OH)2等阳极产物覆盖在电极表面，影响了锌的正常溶解，使锌电极反应表面积减少，电极失去活性变为“钝态”。电极比表面积下降，相对来说，电极密度就会升高，造成电池的极化，使电池的循环性能下降。此外，目前报道的锌离子电池的正极材料十分有限，且循环性能较差，且制备工艺也较为复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种锌基双离子电池及其制备方法，旨在解决现有的水系锂离子电池发生自腐蚀和钝化，导致电池电化学性能降低、且存在安全隐患的问题。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术一方面提供一种锌基双离子电池，包括正极和负极，设置在所述正极和所述负极之间的隔膜，以及电解液，其中，所述电解液为非水锌盐电解液；所述正极包括正极集流体和结合在所述正极集流体表面的正极材料，所述正极材料中含有正极活性材料，且所述正极活性材料为能容许组成锌盐的阴离子可逆嵌入脱出的层状材料；所述负极为金属箔片，所述金属箔片同时作为负极集流体和负极活性材料，且所述金属箔片为可供锌离子可逆沉积溶解或能可逆地与锌进行合金化反应的金属箔片。优选的，所述锌盐电解液为锌盐与有机溶剂和/或离子液体形成的混合溶液。优选的，所述正极活性材料选自碳材料、硫化物、氮化物、氧化物、碳化物中的的至少一种。优选的，所述碳材料选自中间相碳微球石墨、天然石墨、膨胀石墨、人造石墨、玻璃碳、碳碳复合材料、碳纤维、硬碳、多孔炭、高取向石墨、三维石墨、炭黑、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。优选的，所述硫化物硫化物选自二硫化钼、二硫化钨、二硫化钒、二硫化钛、二硫化铁、硫化亚铁、硫化镍、硫化锌、硫化钴、硫化锰中的至少一种。优选的，所述氮化物选自六方氮化硼、碳掺杂六方氮化硼中的至少一种。优选的，所述氧化物选自三氧化钼、三氧化钨、五氧化二钒、二氧化钒、二氧化钛、氧化锌、氧化铜、氧化镍、氧化锰中的至少一种。优选的，所述碳化物选自碳化钛、碳化钽、碳化钼、碳化硅中的至少一种。优选的，所述金属箔片选自锌、镍、钛、锑、锂、钾、铜、铝、镁中的一种。优选的，所述金属箔片为锌、镍、钛、锑、锂、钾、铜、铝、镁中的至少两种形成的合金。优选的，所述金属箔片为锌、镍、钛、锑、锂、钾、铜、铝、镁中的至少两种形成的复合材料。优选的，所述有机溶剂选自酯类、砜类、醚类、腈类、烯烃类有机溶剂中的至少一种。优选的，所述离子液体选自咪唑类、哌啶类、吡咯类、季铵类或酰胺类离子液体中中的至少一种。优选的，所述有机溶剂选自碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、N,N-二甲基乙酰胺、氟代碳酸乙烯酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、乙酸乙酯、γ-丁内酯、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,3-二氧环戊烷、4-甲基-1,3-二氧环戊烷、二甲氧甲烷、1,2-二甲氧丙烷、三乙二醇二甲醚、二甲基砜、二甲醚、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、亚硫酸二甲酯或亚硫酸二乙酯或冠醚(12-冠-4)中的至少一种。优选的，所述离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑-六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑-四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑-双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-丙基-3-甲基咪唑-六氟磷酸盐、1-丙基-3-甲基咪唑-四氟硼酸盐、1-丙基-3-甲基咪唑-双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-丁基-1-甲基咪唑-六氟磷酸盐、1-丁基-1-甲基咪唑-四氟硼酸盐、1-丁基-1-甲基咪唑-双三氟甲基磺酰亚胺盐、N-丁基-N-甲基吡咯烷-双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-丁基-1-甲基吡咯烷-双三氟甲基磺酰亚胺盐、N-甲基-N-丙基吡咯烷-双三氟甲基磺酰亚胺盐、N-甲,丙基哌啶-双三氟甲基磺酰亚胺盐或N-甲基丁基哌啶-双三氟甲基磺酰亚胺盐中的至少一种。优选的，所述锌盐电解液中还含有添加剂，且所述添加剂在所述锌盐电解液中的质量百分含量为0.1-20％。优选的，所述锌盐电解液的浓度为0.1-10mol/L。本专利技术另一方面提供一种锌基双离子电池的制备方法，包括以下步骤：按照上述锌基双离子电池的组成提供锌基双离子电池的正极、负极、锌盐电解液和隔膜；将所述正极、隔膜和负极依次堆叠绕卷形成电芯，注液、封装，制备锌基双离子电池。本专利技术提供的锌基双离子电池，具有以下优点：第一，本专利技术的锌基双离子电池，以能可逆沉积溶解锌或能可逆与锌合金脱合金的金属箔材直接作为电池负极活性材料作为负极的活性材料，以可供阴离子插嵌和脱嵌的层状材料作为正极活性材料，以锌盐作为电解质。锌盐中的锌离子在负极活性材料上吸附、脱附，同时，锌盐中的阴离子在正极活性材料上嵌入、脱出，共同实现能量的存储。通过电解液中锌盐双离子的共同作用，提高电池容量和循环稳定性能，赋予锌基双离子电池较优异的电化学性能。第二，与传统的锂离子电池相比，本专利技术的锌基双离子电池负极材料采用能可逆沉积溶解锌或能可逆与锌进行合金化反应的金属箔材直接作为电池负极活性材料及负极集流体。充电时，锌离子在负极沉积或与负极金属形成合金；放电时，锌离子从负极溶解或去合金，从而简化生产流程，减小电池的体积和质量，节约生产成本并显著提高电池的能量密度。第三，本专利技术的锌基双离子电池正极材料采用可插嵌脱嵌阴离子的层状材料作为正极活性材料，电解液中大量的锌盐阴离子在层状材料中发生可逆插嵌和脱嵌，具体的，充电时，阴离子从电解液中插入正极活性材料的晶格内；放电时，阴离子从正极活性材料内脱出，从而通过插层反应实现储能，提高电池容量。此外，阴离子嵌层过程电压较高，从而进一步提升电池的能量密度。第四，本专利技术的锌基双离子电池，所述电解液为非水锌盐电解液，可有效解决现有水系锌离子电池自腐蚀和钝化的缺点，可以提高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锌基双离子电池，其特征在于，包括正极和负极，设置在所述正极和所述负极之间的隔膜，以及电解液，其中，所述电解液为非水锌盐电解液；所述正极包括正极集流体和结合在所述正极集流体表面的正极材料，所述正极材料中含有正极活性材料，且所述正极活性材料为能容许组成锌盐的阴离子可逆嵌入脱出的层状材料；所述负极为金属箔片，所述金属箔片同时作为负极集流体和负极活性材料，且所述金属箔片为可供锌离子可逆沉积溶解或能可逆地与锌进行合金化反应的金属箔片。

【技术特征摘要】
1.一种锌基双离子电池，其特征在于，包括正极和负极，设置在所述正极和所述负极之间的隔膜，以及电解液，其中，所述电解液为非水锌盐电解液；所述正极包括正极集流体和结合在所述正极集流体表面的正极材料，所述正极材料中含有正极活性材料，且所述正极活性材料为能容许组成锌盐的阴离子可逆嵌入脱出的层状材料；所述负极为金属箔片，所述金属箔片同时作为负极集流体和负极活性材料，且所述金属箔片为可供锌离子可逆沉积溶解或能可逆地与锌进行合金化反应的金属箔片。2.如权利要求1所述的锌基双离子电池，其特征在于，所述锌盐电解液为锌盐与有机溶剂和/或离子液体形成的混合溶液。3.如权利要求1或2所述的锌基双离子电池，其特征在于，所述正极活性材料选自碳材料、硫化物、氮化物、氧化物、碳化物中的的至少一种。4.如权利要求3所述的锌基双离子电池，其特征在于，所述碳材料选自中间相碳微球石墨、天然石墨、膨胀石墨、人造石墨、玻璃碳、碳碳复合材料、碳纤维、硬碳、多孔炭、高取向石墨、三维石墨、炭黑、碳纳米管、石墨烯中的至少一种；或所述硫化物硫化物选自二硫化钼、二硫化钨、二硫化钒、二硫化钛、二硫化铁、硫化亚铁、硫化镍、硫化锌、硫化钴、硫化锰中的至少一种；或所述氮化物选自六方氮化硼、碳掺杂六方氮化硼中的至少一种；或所述氧化物选自三氧化钼、三氧化钨、五氧化二钒、二氧化钒、二氧化钛、氧化锌、氧化铜、氧化镍、氧化锰中的至少一种；或所述碳化物选自碳化钛、碳化钽、碳化钼、碳化硅中的至少一种。5.如权利要求1或2所述的锌基双离子电池，其特征在于，所述金属箔片选自锌、镍、钛、锑、锂、钾、铜、铝、镁中的一种，或所述金属箔片为锌、镍、钛、锑、锂、钾、铜、铝、镁中的至少两种形成的合金；或所述金属箔片为锌、镍、钛、锑、锂、钾、铜、铝、镁中的至少两种形成的复合材料。6.如权利要求2所述的锌基双离子电池，其特征在于，所述有机溶剂选自酯类、砜类、醚类、腈类、烯烃类有机溶剂中的至少一种；或所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐永炳，季必发，张帆，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44