一种可补液水系二次金属电池组及其电池制造技术

本发明专利技术属于电池技术领域，尤其涉及一种可补液水系二次金属电池，包括包装袋和设置于所述包装袋内的正极、隔离件、金属负极和水系电解液，所述包装袋上设置有孔，使得电池内部与环境连通，所述金属负极为锌、锰、铝、镁和铁中的一种。相对于锌空电池以及锂空电池催化剂需要正极接触氧气催化氧还原反应，本发明专利技术主要是为水系金属电池提供了一种可循环注液策略，其不仅能够彻底解决水系金属电池中由于产气问题带来的膨胀以及爆炸等危险；而且可以通过循环注液，适时的对电解液进行补充，在此体系下开发不易挥发的水系电解液或者凝胶电解质，在解决产气问题的同时又能促进锌等金属离子的均匀传输，以消除“尖端效应”并实现均匀的锌等金属的沉积。金属的沉积。金属的沉积。

【技术实现步骤摘要】
一种可补液水系二次金属电池组及其电池


[0001]本专利技术属于电池
，尤其涉及一种可补液水系二次金属电池组及其电池。

技术介绍

[0002]随着传统化石燃料的燃烧，能源储量不断走低，并且传统燃料带来的环境污染问题日益严峻。在这种背景之下，寻求绿色清洁能源受到越来越广泛的关注。
[0003]金属离子电池因其较高的理论体积容量、低氧化还原电位和环境友好性而受到广泛关注。然而，枝晶生长、界面腐蚀和阳极
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电解质界面的副反应（如析氢反应，HER）等严重阻碍了金属离子电池的应用和发展。
[0004]以水系锌离子电池为例，最近，研究者尝试使用各种电解液添加剂，如添加葡萄糖、表面活性剂等来调节 Zn 离子的扩散、成核和沉积，以实现可逆电镀/剥离和防止锌枝晶和氢气析出。然而，这些方法都是适用于封闭体系，只能小规模应用。事实上，大规模储能会放大枝晶和产气问题。尤其是电解液消耗附带的产气问题如果不能及时地解决，很有可能引发电池失效，释放的氢气也会引发爆炸等危险，这与水系电池本身安全的属性相去甚远。正是这些问题严重阻碍了锌离子电池的实用化进程。
[0005]有鉴于此，本专利技术旨在提供一种可补液水系二次金属电池，这种可补液水系二次金属电池能够彻底解决金属电池产气问题带来的膨胀以及爆炸等危险；而且可以进行循环注液，适时的对电解液进行补充，在此体系下开发不易挥发的电解液或者凝胶电解质，在解决产气问题的同时又能促进锌离子的均匀传输，以消除“尖端效应”并实现均匀的金属沉积。
[0006]之前公开的专利技术专利主要是金属空气电池采用的开放体系。例如，中国专利CN107591951涉及半空气燃料型弱酸性锌二次电池。主要是一种可替换电池液和电极片的锌二次电池。电池不使用时将电解液倒出减少锌电极腐蚀；工作时加入电解液激活锌电池。电池可以通过充电方式回收锌，也可以空气电池模式工作，通过补充锌片或更换电解液来提高电池放电容量。然而这项专利中的开放体系主要针对正极催化剂需要氧气条件来进行氧还原反应。专利CN112534629A也提供了一种金属空气电池及其使用方法，主要是通过设置多个金属空气电池单体获得高输出，同时能够促进伴随发电而产生的生成物的排出，并且能够实现放电稳定性。这项专利同样是强调氧气的有效补给实现锌空电池的稳定循环。但金属空气电池仍存在可逆性差、氧化还原动力学反应慢以及催化剂稳定性差等问题，离规模化储能应用还有较大距离。
[0007]本专利技术基于非空气正极材料和金属负极材料，构建可补液水系二次金属电池，可实现电池规模化储能和超长时间服役。具体而言，这种可补液水系二次金属电池能够彻底解决金属电池产气问题带来的膨胀以及爆炸等危险；而且可以进行循环注液，适时地对水系电解液进行补充。

技术实现思路

[0008]本专利技术旨在提供一种可补液水系二次金属电池，这种可补液水系二次金属电池能够彻底解决金属电池产气问题带来的膨胀以及爆炸等危险；而且可以进行循环注液，适时的对水系电解液进行补充，在此体系下开发不易挥发的电解液或者凝胶电解质，在解决产气问题的同时又能促进锌离子的均匀传输，以消除“尖端效应”并实现均匀的金属沉积。
[0009]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种可补液水系二次金属电池，包括包装袋和设置于所述包装袋内的正极、隔离件、金属负极和水系电解液，所述包装袋上设置有补液孔，使得电池内部与外部环境连通，所述金属负极为锌、铝、镁和铁中的一种。通过该孔可以进行气体排放、液体补充和电极替换等操作。由于负极选择的是锌、铝、镁和铁等不太活泼的金属，而不是性质活泼的碱金属锂钠钾等，所以不会有安全问题。而且因为整个电池是一个敞开的系统，内部的气体可以及时排除，从而防止爆炸，能够提高使用的安全性。
[0010]作为本专利技术可补液水系二次金属电池的一种改进，所述正极为钒基正极、锰基正极和普鲁士蓝类正极中的至少一种。其中，钒基正极为氧化钒、钒酸锌和钒酸铵等中的至少一种。锰基正极为二氧化锰或者锰酸锌正极。普鲁士蓝类正极为六氰合铁酸锰钾。
[0011]作为本专利技术可补液水系二次金属电池的一种改进，所述隔离件为隔膜或凝胶电解质，所述隔膜为玻璃纤维或纤维素隔膜，所述凝胶电解质为聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺和生物质基电解质中的至少一种。优选为凝胶电解质，因其具备良好的机械性能和锁水性能，且其具备丰富的孔结构有利于电解液的浸润。
[0012]作为本专利技术可补液水系二次金属电池的一种改进，所述水系电解液包括溶剂和金属盐溶质，其中所述溶剂为超纯水或者超纯水与二甲亚砜、乙腈、二甲基甲酰胺、N, N
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二甲基吡咯烷酮、乙二醇和丙三醇中的至少一种的混合物。
[0013]作为本专利技术可补液水系二次金属电池的一种改进，所述金属盐溶质为硫酸盐、硝酸盐、醋酸盐、柠檬酸盐、葡萄糖酸盐、双三氟甲磺酰基酰亚胺盐、六氟磷酸盐、三氟甲磺酸盐和高氯酸盐的其中一种。
[0014]作为本专利技术可补液水系二次金属电池的一种改进，所述水系电解液中金属离子的浓度为0 .5～5 mol/L。
[0015]作为本专利技术可补液水系二次金属电池的一种改进，所述包装袋的材质为铝塑膜、亚克力、聚乙烯膜和聚氯乙烯膜中的一种。
[0016]作为本专利技术可补液水系二次金属电池的一种改进，所述电池的制备方法为：将正极、隔离件、金属负极和水系电解液组装到电池模具中，然后在模具外包装上开孔或直接使用网格袋作为电池模具。在使用过程中可以适时向电池补充水系电解液或溶剂。
[0017]作为本专利技术的一种优选方式，可补液水系二次金属电池的制备方法包括如下步骤：第一步，裁剪尺寸大小相同的正负极，同时裁剪比正负极长宽大一些的隔离件（隔膜或凝胶电解质）；第二步，在正极、负极上分别焊接极耳，按照正极
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隔离件
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负极进行组装，然后将其封装在电池模具中；第三步，在电池模具上开孔，用来补液和排气；
第四步，向组装好的电池中注入水系电解液，得到可补液的二次金属电池。
[0018]作为本专利技术可补液水系二次金属电池的一种改进，所述孔的面积大小为所述包装袋的外表面积大小的0.1%
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50%。
[0019]相对于现有技术，本专利技术提供的可循环注液、可补液金属电池策略，能够彻底解决金属电池产气问题带来的膨胀以及爆炸等危险；而且可以进行循环注液，适时的对电解液进行补充，在此体系下开发不易挥发的电解液或者凝胶电解质，在解决产气问题的同时又能促进锌等金属离子的均匀传输，以消除“尖端效应”并实现均匀的 Zn 等金属的沉积。
[0020]相对于现有技术，本专利技术法具有如下优点：第一，该方法操作简单，适用性强。
[0021]第二，可以彻底解决电解液的消耗问题与电池膨胀爆炸等安全问题，实现超长的循环稳定性。总之，该电池具有高安全性、长寿命的特点，且具备优异的循环稳定性。
[0022]本专利技术的另一个目的在于提供一种电池组，包括存储容器和设置于所述存储容器内的电池，所述电池为本专利技术所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可补液水系二次金属电池，其特征在于：包括包装袋和设置于所述包装袋内的正极、隔离件、金属负极和水系电解液，所述包装袋上设置有补液孔，使得电池内部与外部环境连通，所述正极为钒基正极、锰基正极和普鲁士蓝类正极中的至少一种，所述负极为锌、锰、铝、镁或铁中的至少一种。2.根据权利要求1所述的可补液水系二次金属电池，其特征在于：所述隔离件为隔膜或凝胶电解质，所述隔膜为玻璃纤维或纤维素隔膜，所述凝胶电解质为聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺和生物质基电解质的至少一种。3.根据权利要求1所述的可补液水系二次金属电池，其特征在于：所述水系电解液包括溶剂和金属盐溶质，其中所述溶剂为超纯水或者超纯水与二甲亚砜、乙腈、二甲基甲酰胺、N, N
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二甲基吡咯烷酮、乙二醇和丙三醇中的至少一种的混合物。4.根据权利要求3所述的可补液水系二次金属电池，其特征在于：所述金属盐溶质为硫酸盐、硝酸盐、醋酸盐、柠檬酸盐、葡萄糖酸盐、双三氟甲磺酰基酰亚胺盐...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨春鹏，王飞飞，杨全红，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：