一种可充放电水系锌离子全电池制造技术

本申请公开了一种可充放电水系锌离子全电池，包括正极、负极，介于正负极之间的隔膜和具有离子导电性的电解液及电解液添加剂；所述正极包括：集流体、正极活性物质、导电剂、粘结剂；所述负极包括：集流体、负极活性物质、导电剂、粘结剂；所述电解液为以锌的可溶性盐为溶质、水为溶剂并具有离子导电性的液态或凝胶态材料；所述电解液添加剂为含二价锰的可溶性盐。本发明专利技术提供的可充放电水系锌离子全电池利用还原电位高于锌沉积电位的蒽醌类有机化合物材料来取代金属锌负极，可以避免锌枝晶的形成，同时解决锌负极面临的腐蚀和钝化等问题，提高了电池的安全性能。

【技术实现步骤摘要】
一种可充放电水系锌离子全电池
本申请涉及电池
，具体涉及一种新型可充放电水系锌离子全电池。
技术介绍
大力发展清洁可再生新能源符合国家的可持续发展战略。然而诸如太阳能、风能、地热能、潮汐能等绿色新能源存在随机性、间歇性、波动性和分散性等特点，若大规模并网将严重影响电力电网系统安全稳定地供应电能，因此研究开发大规模储能技术对于实现新能源普及应用具有重大意义。其中电化学储能技术通过正负极活性物质的氧化还原反应来储存和释放电能，具有不受地理环境的限制、效率高、投资少、随充随放等突出特点。根据中关村储能产业技术联盟(CNESA)项目库的不完全统计，截至2018年12月底，全球已投运的电化学储能项目中，锂离子电池的装机量占比达到86％，占有绝对的优势。但是锂离子电池由于锂资源的储量有限，正极钴元素价格高，电池成本偏高；同时因其使用有毒的可燃性有机物作为电解液，存在污染、燃烧爆炸等安全隐患；此外有机物电解液离子传导速率不高(1-10mScm-1)，电池功率低。因而从长远可持续发展角度考虑，研究开发更适合大规模储能技术的新型二次电池体系具有现实意义。可充放电水系锌离子电池是一种新型二次电池体系，采用储量丰富的锌作为能量传递介质，使用安全、环保、廉价、高离子传导率(1Scm-1)的水溶液作为电解液，因而在大规模储能领域中具有良好的应用前景。水系锌离子电池体系主要由金属锌负极、含Zn2+水溶液电解液、可储锌的正极材料等组成，目前研究重点主要集中在合成制备高比容量，高循环稳定性的正极材料，关于负极金属锌枝晶、腐蚀和钝化问题的研究报道却比较少。在充放电过程中，锌离子将在金属锌负极表面反复溶解和沉积，锌负极的体积、形貌和电性能均在不断发生变化，极易导致不均匀沉积而形成突出物，随着循环次数增加，这些突出物继续生长形成锌枝晶，从而产生安全隐患。此外，金属锌负极容易受电解液溶解氧的腐蚀，而与锌沉积竞争的析氢反应(HER)则会增加局部电解液pH值的升高，生成氧化锌等副产物，导致电池库伦效率降低，循环寿命变差。因此，水系锌离子电池金属锌负极所面临的问题将限制其在大规模储能中的应用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种可充放电水系锌离子全电池，可完全解决金属锌负极面临的锌枝晶、腐蚀和钝化等技术问题，从而提高电池的安全性能和循环寿命。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术的第一个方面提供了一种新型可充放电水系锌离子全电池，包括正极、负极，介于正负极之间的隔膜和具有离子导电性的电解液及电解液添加剂；所述正极包括：集流体、正极活性物质、导电剂、粘结剂；所述负极包括：集流体、负极活性物质、导电剂、粘结剂；所述电解液为以锌的可溶性盐为溶质、水为溶剂并具有离子导电性的液态或凝胶态材料；所述电解液添加剂为含二价锰的可溶性盐。所述集流体为各种金属箔(如钛箔)、金属网(如钛网)、碳布、石墨箔或石墨片。所述正极活性物质包括可以提供锌源的材料，具体为锰酸锌、锰酸锌与各类碳材料复合物(如锰酸锌碳纳米管复合物)或锰酸锌与各类导电聚合物复合物(如锰酸锌聚苯胺复合物)中的至少一种。所述导电剂为石墨、乙炔黑、炭黑、石墨烯、碳纳米管或碳纤维，且用量占正极活性物质和负极活性物质质量之和的20％以下。所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯、羧甲基纤维素或聚丙烯酸，且用量占正极活性物质和负极活性物质质量之和的20％以下。正极中所述正极活性物质、导电剂、粘结剂的质量比为7:1.5:1.5。所述负极活性物质为可以存储锌离子的蒽醌类有机物材料，其电位要低，但高于锌沉积电位；具体为蒽醌类有机化合物(1,4-蒽醌、9,10-蒽醌、1,2-蒽醌)、蒽醌类衍生物(如2-甲基蒽醌)或蒽醌类聚合物(如聚1,4-蒽醌)中的至少一种。负极中所述负极活性物质、导电剂、粘结剂的质量比为7:1.5:1.5。所述隔膜为在水溶液中具有优良浸润性能的玻璃纤维隔膜或滤纸。所述电解液为不同浓度的硫酸锌、三氟甲烷磺酸锌、氯化锌、高氯酸锌、乙酸锌或硝酸锌溶液中的至少一种。所述含二价锰的可溶性盐为硫酸锰、氯化锰、硝酸锰、乙酸锰中的至少一种。所述全电池为扣式电池、软包电池、圆柱型电池或方型电池。本专利技术与现有技术对比的有益效果是：本专利技术提供的可充放电水系锌离子全电池，使用蒽醌类有机化合物取代金属锌作为锌离子全电池的负极活性材料，蒽醌类有机化合物骨架结构中拥有羰基(C＝O)官能团，能够存储锌离子，其储锌电极电位约为(～0.45Vvs.Zn2+/Zn)，远高于锌离子的沉积电位，因此可以直接避免锌枝晶的产生，提高电池的安全性能，同时由于不使用金属锌，就可以一并解决金属锌负极面临的腐蚀、钝化等问题。当蒽醌类有机化合物负极匹配能够提供锌源的锰酸锌正极活性物质，就可以匹配成全电池，可以大大提高电池的安全性和循环寿命。本专利技术提供的可充放电水系锌离子全电池利用还原电位高于锌沉积电位的蒽醌类有机化合物材料来取代金属锌负极，可以避免锌枝晶的形成，同时解决锌负极面临的腐蚀和钝化等问题，提高了电池的安全性能，与可提供锌源的正极锰酸锌匹配，这种新型锌离子全电池表现出优异的循环稳定性。附图说明图1是本专利技术实施例1电解液电化学窗口和正负极活性物质的氧化还原电位示意图。图2是本专利技术实施例1中全电池工作原理示意图。图3是本专利技术实施例1中全电池前3圈循环伏安曲线示意图。图4是本专利技术实施例2中全电池的长循环性能示意图。图5是本专利技术实施例2中蒽醌类有机物负极循环前和循环500圈后电极形貌示意图。图6是本专利技术实施例3中全电池的倍率性能示意图。图7是本专利技术实施例4中全电池的充放电曲线示意图。具体实施方式为了更好的理解本申请的技术方案，下面对本申请实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本说明书的描述中，需要理解的是，本申请权利要求及实施例所描述的“基本上”、“近似”、“大约”、“约”、“大致”、“大体上”等词语，是指在合理的工艺操作范围内或者公差范围内，可以大体上认同的，而不是一个精确值。实施例1一种可充放电水系锌离子全电池，由正极、负极、介于正负极之间的隔膜、具有离子导电性的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可充放电水系锌离子全电池，其特征在于，包括正极、负极，介于正负极之间的隔膜和具有离子导电性的电解液及电解液添加剂；/n所述正极包括：集流体、正极活性物质、导电剂、粘结剂；/n所述负极包括：集流体、负极活性物质、导电剂、粘结剂；/n所述电解液为以锌的可溶性盐为溶质、水为溶剂并具有离子导电性的液态或凝胶态材料；/n所述电解液添加剂为含二价锰的可溶性盐。/n

【技术特征摘要】
1.一种可充放电水系锌离子全电池，其特征在于，包括正极、负极，介于正负极之间的隔膜和具有离子导电性的电解液及电解液添加剂；
所述正极包括：集流体、正极活性物质、导电剂、粘结剂；
所述负极包括：集流体、负极活性物质、导电剂、粘结剂；
所述电解液为以锌的可溶性盐为溶质、水为溶剂并具有离子导电性的液态或凝胶态材料；
所述电解液添加剂为含二价锰的可溶性盐。


2.根据权利要求1所述的可充放电水系锌离子全电池，其特征在于，所述集流体为金属箔、金属网、碳布、石墨箔或石墨片。


3.根据权利要求1所述的可充放电水系锌离子全电池，其特征在于，所述正极活性物质包括可以提供锌源的材料。


4.根据权利要求1所述的可充放电水系锌离子全电池，其特征在于，所述导电剂为石墨、乙炔黑、炭黑、石墨烯、碳纳米管或碳纤维，且用量占正极活性物质和负极活性物质质量之和的20％以下。


5.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌敏，严立京，梁成都，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33