[發(fā)明專利]一種低成本水系鋅鐵二次電池

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201811250436.0
• 申請日: 2018-10-25
• 公開（公告）號: CN111106398A
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發(fā)明（設計）人: 黃富強;常鄭;王遠;畢輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: H01M10/36
• 分類號: H01M10/36
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;熊子君

本發(fā)明涉及一種低成本水系鋅鐵二次電池，該鋅鐵二次電池包括正極、負極和電解液，正極含有鋅離子可逆脫嵌的物質(zhì)，負極含有金屬鋅、鋅的合金或其改性物，電解液中含有Zn²⁺和Fe²⁺/Fe³⁺。

技術領域

本發(fā)明涉及一種低成本水系鋅鐵二次電池，具體涉及通過使用金屬鋅(提供鋅沉積的基底材料)作為負極，含有Zn²⁺和Fe²⁺/Fe³⁺的水溶液作為電解液，能實現(xiàn)鋅離子可逆脫嵌的物質(zhì)作為正極，組裝形成一種新型鋅鐵二次電池，屬于電化學儲能領域。

背景技術

能源危機與環(huán)境污染是當今人類密切關注和迫切需要解決的問題，近年來隨著電動汽車的發(fā)展以及電網(wǎng)儲能的發(fā)展，開發(fā)低成本，具有高安全性、高能量密度及功率密度的二次電池十分必要。然而鋰電池存在自身的安全隱患，價格高，難以實現(xiàn)快速充電等問題限制了它在電動汽車以及混合電動汽車和智能電網(wǎng)中的廣泛應用。鋅離子電池是近年來發(fā)展起來的一種新型二次水系電池，具有高能量密度、高功率密度、放電過程高效安全、電池材料無毒廉價、制備工藝簡單等優(yōu)點，在大型儲能等領域具有很高應用價值和發(fā)展前景。

在20世紀70年代，可充電鋅-二氧化錳電池首次投放市場，這是一次堿性電池技術上的延伸，但其存在循環(huán)壽命短，性能穩(wěn)定性低，且不能大電流充放電等缺點。進一步提高鋅基電池的可充性、循環(huán)壽命和大電流放電性能，新型可充電鋅離子電池必將擁有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＳ捎阡\離子的水合半徑比較大，難以實現(xiàn)在正極材料中可逆脫嵌，因此開發(fā)正極材料成為一項重大難題。目前，報道的鋅離子電池正極材料主要有二氧化錳、五氧化二釩和金屬鐵氰化物。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明首次設計了一種新型水系鋅鐵二次電池，不同于前期開發(fā)的鋅離子電池，正極采用能實現(xiàn)鋅離子可逆脫嵌的化合物。通過可溶性的氧化還原電對Fe²⁺/Fe³⁺在正極/電解液界面上反應。以克服鋅離子電池正極材料體系困難、正極生產(chǎn)成本高等問題。

本發(fā)明提供一種鋅鐵二次電池，其包括正極、負極和電解液，正極含有鋅離子可逆脫嵌的物質(zhì)，負極含有金屬鋅、鋅的合金或其改性物，電解液中含有Zn²⁺和Fe²⁺/Fe³⁺。

根據(jù)本發(fā)明，正極采用鋅離子可逆脫嵌的化合物，通過可溶性的氧化還原電對Fe²⁺/Fe³⁺在正極/電解液界面上反應；負極發(fā)生鋅離子在金屬鋅或其負極基底上的可逆沉積與氧化反應。該鋅鐵二次電池成本低，且具有優(yōu)異的可充性、循環(huán)壽命和大電流放電性能。本發(fā)明中，鋅鐵二次電池能夠進行穩(wěn)定的充放電，容量可為190～630mAhg^-1，經(jīng)過5000圈的循環(huán)后容量保持率為89～93％。經(jīng)過18小時的測試電池的開路電壓保持在1.2V左右說明鋅鐵二次電池并沒有發(fā)生嚴重的自放電現(xiàn)象。鋅鐵二次電池的能量密度可為210～690Whkg^-1，功率密度可為1.78～2.1kWkg^-1。

較佳地，所述鋅離子可逆脫嵌的物質(zhì)為碳材料或泡沫金屬。

優(yōu)選地，所述碳材料選自碳氈、石墨氈、三維石墨烯、或其氧等離子體處理改性物中的至少一種。

較佳地，所述鋅鐵二次電池還包括負極集流體，所述負極集流體是能夠提供鋅沉積的基底材料。

優(yōu)選地，所述負極集流體的材質(zhì)為金屬銅、鋁、銀或它們的合金或者碳材料，所述負極集流體為板狀或多孔狀。

較佳地，所述鋅鐵二次電池還包括置于正極和負極之間的隔膜，所述隔膜優(yōu)選為親水多孔隔膜。