[發明專利]一種可充電的鋅離子電池

有效

• 申請號: 201810767201.2
• 申請日: 2018-07-13
• 公開（公告）號: CN110718719B
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 汪權
• 申請（專利權）人: 常熟理工學院
• 主分類號: H01M10/38
• 分類號: H01M10/38;H01M4/38;H01M4/48;H01M4/50;H01M4/52
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 鄒偉紅

本發明公開了一種可充電的鋅離子電池，由正極、負極，介于正負極之間的隔離膜以及電解質組成，其中正極活性材料主要由可以可逆地脫嵌鋅離子的化合物組成，負極材料主要由鋅元素組成，電解質主要由含有鋅鹽、錳鹽為溶質的水溶液或凝膠態物質組成，電解質中含有一種或多種含磷元素的添加劑，電解質中的鋅鹽和錳鹽的摩爾濃度比為1:3至3:1。本發明具有較高的放電比容量、能量密度和功率密度，具有較高的容量保持率和較長的使用壽命，可快速充放電，并采用廉價易得的原料，環境友好，易于產業化。

技術領域

本發明屬于電池技術領域，特別涉及一種可充電的鋅離子電池。

背景技術

能源一直都是一個國家經濟發展的重要基石，隨著石油等不可再生資源的日益減少和大氣環境污染的加劇，人們日益期待能夠研究開發出更多更好的綠色儲能技術。過去幾十年來，鋰離子電池取得了很大的研究進展，并得到了很好的商業應用，但是鋰離子電池所采用的有機電解液的易燃性和鋰元素在地球上資源的稀缺性導致了鋰離子電池的成本不斷升高，并經常產生很多安全隱患。開發新型的高容量和長壽命，廉價易得并且安全高效的鋅離子水系可充電電池具有十分重大的意義。

第一代鋅離子可充電電池采用金屬鋅為負極，采用LiMn₂O₄、LiCoO₂、LiNi_0.3Co_0.3Mn_0.3O₂和LiFePO₄等鋰離子可以可逆脫嵌的物質作為正極活性材料，采用含有鋰離子和鋅離子的混合水溶液作為電解質。該類電池兼具金屬鋅的廉價性和鋰離子的高容量保持率的特性，實質上屬于一種雙離子混合水系電池。但是隨著正極活性材料含鋰化合物市場價格的不斷攀升，市場利潤也在不斷下降。

第二代鋅離子可充電電池采用金屬鋅為負極，采用含有鋅離子或不含鋅離子的，但是可以進行鋅離子可逆脫嵌的物質作為正極活性材料，同時電解液主要由含鋅離子鹽的水溶液組成，徹底放棄采用價格昂貴的鋰化合物或金屬鋰。通常，一個可充電電池的性能好壞，主要看采用不同大小充放電電流的情況下，該電池的放電比容量-庫倫效率-循環次數關系曲線圖，放電比容量高，說明電池的能量密度高，功率密度高，在相同的電池質量下，可以釋放出更多的能量；放電比容量隨著循環次數的增加，如果能夠不衰減或少衰減，即容量保持率高，則說明電池使用壽命長。而且一般小電流充放電時，放電比容量要比大電流充放電時大很多，而大電流充放電時的容量保持率則表明電池能否做到快充快放。中國專利CN104272522B報道一種鋅離子電池采用納米碳材料作為正極，雖然報道容量在1000mAh g^-1以上，但是實際上我們知道，一個電池的正常工作電壓取決于正極活性材料的標準電極電位和負極材料金屬鋅的標準電極電位之差，碳材料和鋅的標準電極電位之差只有0.7v左右，而現有技術中的鋅離子電池(正極采用二氧化錳，負極采用金屬鋅)的工作電壓一般在1.5V左右，所以在可充電電池研究領域，僅僅以碳材料作為正極的電池一般都被稱作半電池，只具有學術研究價值，基本沒有什么實用性。中國專利CN104272523B報道了一種鋅離子電池，正極材料采用負載在碳材料上面的二氧化錳，報道說容量超過1000mAhg^-1，但是本領域技術人員都知道，在該正極材料上面，二氧化錳的標準電極電位遠高于碳材料，所以真正發揮正極活性材料作用的是二氧化錳，而不是碳材料，而二氧化錳的最高理論容量只有308mAhg^-1(Nature Communicationsvolume 8,405，2017)，因此該專利技術方案的技術效果根本不可能實現。

中國專利CN101783419B報道了一種鋅離子電池，采用含錳的氧化物作為正極活性材料。從該專利提供的附圖可以看出，即使在小電流100mA g^-1下充放電,初始放電比容量只有110mAhg^-1左右，循環30次后，比容量已衰減至接近80mAhg^-1。