一种混合水系锡溴可充电电池及其应用制造技术

技术编号：40103640 阅读：66 留言：0更新日期：2024-01-23 18:05

本发明专利技术涉及一种电池，具体为一种混合水系锡溴可充电电池及其应用；所述电池包括正极、负极、电解质以及隔膜，所述正极和负极分别处于的水性电解液中，所述负极材料为锡或其合金或改性物，所述正极材料为：(a)能够可逆地嵌入和脱嵌金属离子Li<supgt;+</supgt;、Na<supgt;+</supgt;、K<supgt;+</supgt;、Zn<supgt;2+</supgt;、Mg<supgt;2+</supgt;或Al<supgt;3+</supgt;的正极材料，或者(b)含Br<subgt;2</subgt;/Br<supgt;‑</supgt;、(Br<supgt;‑</supgt;,Cl<supgt;‑</supgt;)/ClBr<subgt;2</subgt;<supgt;‑</supgt;或Fe<supgt;3+</supgt;/Fe<supgt;2+</supgt;的水溶液，或者(c)空气、氧气，或者(d)含Cl<subgt;2</subgt;/Cl<supgt;‑</supgt;、Br<subgt;2</subgt;/Br<supgt;‑</supgt;、(Br<supgt;‑</supgt;,Cl<supgt;‑</supgt;)/ClBr<subgt;2</subgt;<supgt;‑</supgt;、Fe<supgt;3+</supgt;/Fe<supgt;2+</supgt;、VO<subgt;2</subgt;<supgt;+</supgt;/VO<supgt;2+</supgt;、Ce<supgt;4+</supgt;/Ce<supgt;3+</supgt;、Cr<supgt;3+</supgt;/Cr<supgt;2+</supgt;、CrO<subgt;4</subgt;<supgt;2+</supgt;/Cr<supgt;3+</supgt;、NpO<subgt;2</subgt;<supgt;2+</supgt;/NpO<subgt;2</subgt;<supgt;+</supgt;或IO<supgt;3‑</supgt;/I<subgt;2</subgt;氧化还原电对的酸性水溶液，或(e)SnO及其改性物。该混合水性可充电电池较传统的锌酸电池理论能量密度要高200Wh/kg以上，循环寿命可达5000圈。该混合水性可充电电池可用于电力的储存和释放等方面。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电池，具体涉及一种混合水系锡溴可充电电池及其应用。

技术介绍

1、锂离子电池(libs)具有能量密度高、比功率大、循环性能好、无记忆效应、无污染等特点，是最著名的电化学储能装置，通常用于便携式电子产品，因为它们具有相对较高的能量/功率密度和优异的循环稳定性。然而，人们对其安全性表示担忧，锂资源的有限供应可能会限制其在大规模电网储能中的广泛应用，以支持间歇性可再生能源生产。因此，谨慎的做法是考虑“锂离子之外”的其他可持续且具有成本效益的金属离子电池，作为当前锂离子技术的可行替代品。理想的可持续电化学储能系统将高能量/功率输出、长循环寿命、低成本和环境友好相结合。

2、以水锂电池为代表的水溶液金属离子电池具有离子电导率高、成本低、易大规模生产、安全环保等优点，已经成为下一代大型储能电池发展的优选方向。但是由于受制于水的理论分解电压(1.229v)，其充放电电压远低于2v；即使在水凝胶聚合物电解质体系中依然不可能提高水的理论分解电压和采用水凝胶的充放电电池的工作电压(参见谢奕明等，新型超吸水性复合材料水凝胶电解质的制备，华侨大学学报(自然科学版)，2007年，第28卷第2期，第155页-第158页)，能量密度远远低于锂离子电池，因此远远无法达到高能量密度的目的。

3、锡(sn)金属具有多电子反应、成本相对较低、无毒且易于回收等优点，是一种有竞争力的候选材料。sn以其高析氢反应超电势而闻名，尽管其氧化还原电势低于标准氢电极(she)，但它可以作为水系电池的阳极。更重要的是，与具有高表面各向异性的

4、液态卤素离子，例如氯化物、溴化物、碘化物，可以引入可逆氧化还原反应，从而具有较高的开路电压(1.82v)，理论能量能够达到400wh kg-1和大于100mw cm-2的实际功率，然而其比电容较低，且难保持高可逆容量和高工作电压。值得注意的是，溴化物氧化还原具有1.08v的标准氧化还原电位和335mah g-1的理论比容量，使其成为构建高性能正极材料的理想选择。

技术实现思路

1、本专利技术的目的在于克服上述水系锡离子电池存在的缺点，提供一种混合水系锡溴可充电电池及其应用，以克服水系锡离子电池枝晶严重、金属脱落等问题。

2、本公开的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种混合水性锡溴可充电电池，所述电池包括正极、负极、电解质以及隔膜，所述正极和负极分别处于的水性电解液中，所述负极材料为锡或其合金或改性物，所述正极材料为：(a)能够可逆地嵌入和脱嵌金属离子li+、na+、k+、zn2+、mg2+或al3+的正极材料，或者(b)含br2/br-、(br-,cl-)/clbr2-或fe3+/fe2+的水溶液，或者(c)空气、氧气，或者(d)含cl2/cl-、br2/br-、(br-,cl-)/clbr2-、fe3+/fe2+、vo2+/vo2+、ce4+/ce3+、cr3+/cr2+、cro42+/cr3+、npo22+/npo2+或io3-/i2氧化还原电对的酸性水溶液，或(e)sno及其改性物。

4、优选地，所述水性电解液包括单电解液或者复合电解液。

5、特别地，在本专利技术的可充电电池中，负极可处于中性、弱酸性或酸性水性电解质(水溶液或水凝胶电解质)中；正极可处于中性、弱酸性或酸性水性复合电解质中。在本专利技术中，“碱性”是指ph大于7，“中性”是指ph等于7，“弱酸性”是指4＜ph＜7，酸性是指ph≤4。此外，本专利技术的水性电解质可为水溶液或水凝胶电解质；在本专利技术中，“水性”是指本专利技术所用的电解质为水溶液或水凝胶电解质。

6、优选地，单电解液为包含锡盐、酸或其混合物的水溶液或水凝胶电解液，或者所述水溶液和水凝胶的混合物。

7、优选地，复合电解液为：(a)含锡盐或其混合物的水溶液或水凝胶电解液，或者所述水溶液和水凝胶电解液的混合物；或者(b)含br2/br-、(br-,cl-)/clbr2-或fe3+/fe2+氧化还原电对且含锂盐、钠盐、钾盐或其混合物的水溶液或水凝胶电解液，或者所述水溶液和水凝胶电解液的混合物。

8、优选地，所述负极材料中锡的改性物为：(a)电沉积在其他基底上的锡或锡与其它金属形成的合金；(b)其他导电物质包覆的锡或锡与其它金属形成的合金，其中所述其它金属为极化电位高的金属。

9、优选地，所述隔膜选自如下组的隔膜：(a)li+、na+或k+能够可逆通过，而质子不能通过的聚合物阳离子交换膜，或者(b)li+、na+或k+能够可逆通过，而质子不能通过的复合聚合物阳离子膜，或者(c)cl-、br-、so42-或no3-能够可逆通过的聚合物阴离子交换膜，或者(d)复合聚合物阳/阴离子交换膜。

10、优选地，当负极电解质和正极电解质均为单电解液，选用聚合物阳离子交换膜或复合聚合物阳离子交换膜作为隔膜；当负极电解质和正极电解质均为复合电解液，选用聚合物阴离子交换膜或复合聚合物阳/阴离子交换膜作为隔膜；当负极电解质为复合电解液而正极电解质为单电解液或负极电解质为单电解液而正极电解质为复合电解液时，选用聚合物阳离子交换膜或复合聚合物阳离子交换膜作为隔膜。

11、优选地，当正极处于中性或弱酸性电解质中时，正极材料为：(a)能够可逆地嵌入和脱嵌金属离子li+、na+、k+、zn2+、mg2+或al3+的正极材料，或(b)含br2/br-、(br-,cl-)/clbr2-或fe3+/fe2+的水溶液，或者(c)空气、氧气；

12、当正极处于酸性电解质中时，正极为(a)含cl2/cl-、br2/br-、(br-,cl-)/clbr2-、fe3+/fe2+、vo2+/vo2+、ce4+/ce3+、cr3+/cr2+、cro42+/cr3+、npo22+/npo2+或io3-/i2氧化还原电对的酸性水溶液，或者(b)sno及其改性物。

13、优选地，按照正极与负极所处电解质的不同，本专利技术的电池可包括以下体系：

14、(1)隔膜为：(a)li+、na+或k+等阳离子能够可逆通过，而质子不能通过的聚合物阳离子交换膜，或者(b)li+、na+或k+等阳离子能够可逆通过，而质子不能通过的复合聚合物阳离子交换膜；

15、(2)负极为金属铅或其合金或其改性物；

16、(3)负极侧的电解质为包含硫酸铅、铅盐或其混合物的水溶液或水凝胶电解质，或者所本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种混合水性锡溴可充电电池，其特征在于，所述电池包括正极、负极、电解质以及隔膜，所述正极和负极分别处于的水性电解液中，所述负极材料为锡或其合金或改性物，所述正极材料为：(a)能够可逆地嵌入和脱嵌金属离子Li+、Na+、K+、Zn2+、Mg2+或Al3+的正极材料，或者(b)含Br2/Br-、(Br-,Cl-)/ClBr2-或Fe3+/Fe2+的水溶液，或者(c)空气、氧气，或者(d)含Cl2/Cl-、Br2/Br-、(Br-,Cl-)/ClBr2-、Fe3+/Fe2+、VO2+/VO2+、Ce4+/Ce3+、Cr3+/Cr2+、CrO42+/Cr3+、NpO22+/NpO2+或IO3-/I2氧化还原电对的酸性水溶液，或(e)SnO及其掺杂金属或导电聚合物的改性物。

2.根据权利要求1所述的一种混合水性锡溴可充电电池，其特征在于，所述水性电解液包括单电解液或者复合电解液。

3.根据权利要求1所述的一种混合水性锡溴可充电电池，其特征在于，单电解液为包含锡盐、酸或其混合物的水溶液或水凝胶电解液，或者所述水溶液和水凝胶的混合物。

4.根据权利要求1

5.根据权利要求1所述的一种混合水性锡溴可充电电池，其特征在于，所述负极材料中锡的改性物为：(a)电沉积在其他基底上的锡或锡与其它金属形成的合金；(b)其他导电物质包覆的锡或锡与其它金属形成的合金，其中所述其它金属为极化电位高的金属。

6.根据权利要求1所述的一种混合水性锡溴可充电电池，其特征在于，所述隔膜选自如下组的隔膜：(a)Li+、Na+或K+能够可逆通过，而质子不能通过的聚合物阳离子交换膜，或者(b)Li+、Na+或K+能够可逆通过，而质子不能通过的复合聚合物阳离子膜，或者(c)Cl-、Br-、SO42-或NO3-能够可逆通过的聚合物阴离子交换膜，或者(d)复合聚合物阳/阴离子交换膜。

7.根据权利要求3所述的一种混合水性锡溴可充电电池，其特征在于，当负极电解质和正极电解质均为单电解液，选用聚合物阳离子交换膜或复合聚合物阳离子交换膜作为隔膜；当负极电解质和正极电解质均为复合电解液，选用聚合物阴离子交换膜或复合聚合物阳/阴离子交换膜作为隔膜；当负极电解质为复合电解液而正极电解质为单电解液或负极电解质为单电解液而正极电解质为复合电解液时，选用聚合物阳离子交换膜或复合聚合物阳离子交换膜作为隔膜。

8.根据权利要求1所述的一种混合水性锡溴可充电电池，其特征在于，当正极处于中性或弱酸性电解质中时，正极材料为：(a)能够可逆地嵌入和脱嵌金属离子Li+、Na+、K+、Zn2+、Mg2+或Al3+的正极材料，或(b)含Br2/Br-、(Br-,Cl-)/ClBr2-或Fe3+/Fe2+的水溶液，或者(c)空气、氧气；

9.根据权利要求1-7所述的任一项电池，其特征在于，按照正极与负极所处电解质的不同，本专利技术的电池可包括以下体系：

10.如权利要求1-9中任一项所述的混合水性锡溴可充电电池在电力储存和释放中的应用。

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【技术特征摘要】

1.一种混合水性锡溴可充电电池，其特征在于，所述电池包括正极、负极、电解质以及隔膜，所述正极和负极分别处于的水性电解液中，所述负极材料为锡或其合金或改性物，所述正极材料为：(a)能够可逆地嵌入和脱嵌金属离子li+、na+、k+、zn2+、mg2+或al3+的正极材料，或者(b)含br2/br-、(br-,cl-)/clbr2-或fe3+/fe2+的水溶液，或者(c)空气、氧气，或者(d)含cl2/cl-、br2/br-、(br-,cl-)/clbr2-、fe3+/fe2+、vo2+/vo2+、ce4+/ce3+、cr3+/cr2+、cro42+/cr3+、npo22+/npo2+或io3-/i2氧化还原电对的酸性水溶液，或(e)sno及其掺杂金属或导电聚合物的改性物。

2.根据权利要求1所述的一种混合水性锡溴可充电电池，其特征在于，所述水性电解液包括单电解液或者复合电解液。

4.根据权利要求1所述的一种混合水性锡溴可充电电池，其特征在于，复合电解液为：(a)含锡盐或其混合物的水溶液或水凝胶电解液，或者所述水溶液和水凝胶电解液的混合物；或者(b)含br2/br-、(br-,cl-)/clbr2-或fe3+/fe2+氧化还原电对且含锂盐、钠盐、钾盐或其混合物的水溶液或水凝胶电解液，或者所述水溶液和水凝胶电解液的混合物。

5.根据权利要求1所述的一种混合水性锡溴可充电电池，其特征在于，所述负极材料中锡的改性物为：(a)电沉积在其他基底上的锡或锡与其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李博亚，于峰，黎立德，梁丽涛，张国臻，李敬发，王毅，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：

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