[發(fā)明專利]基于吡嗪稠環(huán)半導體的水系銨離子電池電極

有效

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• 申請日: 2020-05-18
• 公開（公告）號: CN111599978B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發(fā)明（設計）人: 林宗瓊;翁潔娜;霍峰蔚;劉玉琴;黃維;史兆鑫;席喬
• 申請（專利權）人: 西北工業(yè)大學
• 主分類號: H01M4/02
• 分類號: H01M4/02;H01M4/60;H01M10/36;H01M10/48
• 代理公司: 西安匠星互智知識產權代理有限公司 61291
• 代理人: 屠沛

本發(fā)明涉及一種基于吡嗪稠環(huán)半導體的水系銨離子電池電極，利用銨離子與吡嗪稠環(huán)半導體中芳香氮原子的配位作用，以具有多離子存儲位點的吡嗪稠環(huán)半導體作為銨離子存儲材料，提高水系可充電銨離子電池的比容量。本發(fā)明首次制備了在50mAg^?1電流密度下比容量達到355mA h g^?1的基于吡嗪稠環(huán)半導體的水系銨離子電池電極，該電極在600mA g^?1電流密度的快速放電下比容量仍可達到190mA h g^?1。

技術領域

本發(fā)明屬于電化學技術領域，特別涉及一種以吡嗪稠環(huán)芳烴作為銨離子存儲活性材料的水系電池電極。

背景技術

水系可充電離子電池以離子鹽水溶液作為電解液，在本征上解決了以有機電解液為工作媒介的傳統(tǒng)離子電池的安全隱患問題。另外，水系可充電離子電池還具有水系電解液價格低廉且環(huán)境友好、電池組裝過程無需無水無氧的苛刻環(huán)境等優(yōu)點，在大規(guī)模電網(wǎng)儲能應用中具有極高的潛力和明朗的應用前景。

現(xiàn)有水相電池的研究大多以金屬陽離子作為電荷載體，然而地球上金屬元素的含量有限且分布不均，過量、開采金屬礦物會對環(huán)境造成不可逆的破壞。開發(fā)以非金屬陽離子作為電荷載體的水系電池在保護環(huán)境、維持資源的可持續(xù)性方面具有絕對的優(yōu)勢。與一價金屬陽離子幾位類似的銨離子具有水合離子半徑小、摩爾質量小、獨特的拓撲化學結構、廉價易得等優(yōu)勢，在電池研究的基礎領域逐漸受到重視(Energy Environ.Sci.,2019,12,3203-3224)。

然而，相比于以金屬陽離子作為電荷載體的水系金屬離子可充電電池，水系可充電銨離子電池的發(fā)展極為緩慢。自2017年美國俄勒岡州立大學秀磊課題組報道了第一例“搖椅式”的水系銨離子全電池(Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,13026-13030)以來，迄今為止水系銨離子電池的報道仍不滿10例，且在電池性能(如比容量、能量密度等)尚落后于發(fā)展最為成熟的水系鋰離子電池。這種緩慢且落后的發(fā)展背后最為主要的原因為銨離子存儲電極材料的嚴重缺乏。例如，迄今為止，可用于銨離子存儲的負極材料僅限于少數(shù)的普魯士藍類似物和可插層金屬氧化物(V₂O₅、h-MoO₃)等無機電極材料，以及酰亞胺類(如3,4,9,10－苝四甲酰二亞胺、聚(1,4,5,8-萘四碳二酰亞胺)有機電極材料。(J.Electrochem.Soc.2012,159,A98-A103；Chem.Commun.,2018,54,9805-9808；ACSAppl.Energy Mater.2018,1,3077-3083；Nanoscale Horiz.,2019,4,991-998；J.Mater.Chem.A,2019,7,11314-11320；Chem 2019,5,1537-1551；Adv.Mater.2020,1907802)上述這些已報道的負極材料在水系電解液的穩(wěn)定工作電壓范圍內存儲銨離子的比容量有限(低于160mA h g^-1)，組成的全電池能量密度均低于60W h kg^-1，無法滿足實際的儲能應用。因此，需要研制新的高比容量的水系銨離子電池電極。

發(fā)明內容

要解決的技術問題

為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提出一種儲能密度高、循環(huán)壽命長、成本低、環(huán)境友好的水系銨離子電池電極。該電極以具有多離子存儲位點的吡嗪稠環(huán)半導體為銨離子存儲材料，在不易燃的銨離子水溶液和大氣環(huán)境中即可實現(xiàn)銨離子的電化學插入和脫出。

技術方案

一種基于吡嗪稠環(huán)半導體的水系銨離子電池電極，其特征在于以吡嗪稠環(huán)芳烴為銨離子存儲材料，在銨離子水系電解質溶液和大氣環(huán)境中即可實現(xiàn)銨離子的電化學插入和脫出；所述的吡嗪稠環(huán)芳烴的芳烴分子中至少含有一個吡嗪單元，且為稠環(huán)結構；所述的銨離子水系電解質溶液為以硫酸銨、氯化銨、硝酸銨、碳酸銨、碳酸氫銨、氟化銨、碘化銨、溴化銨、三氟甲磺酸銨中的一種或多種配制而成的水溶液，且其中銨鹽的濃度為0.1M-21M。