[發(fā)明專利]一種高穩(wěn)定鋅碘電池正極復合材料及其制備方法與應用

有效

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• 申請日: 2021-03-10
• 公開（公告）號: CN113036144B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發(fā)明（設計）人: 馮金奎;田園;安永靈
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/38;H01M4/02;H01M10/36
• 代理公司: 濟南圣達知識產(chǎn)權代理有限公司 37221
• 代理人: 王志坤

本發(fā)明涉及儲能技術領域，具體涉及一種高穩(wěn)定鋅碘電池正極復合材料及其制備方法與應用。所述高穩(wěn)定鋅碘電池正極復合材料包括共價有機框架化合物衍生的摻雜型多孔碳和活性碘；所述摻雜型多孔碳的摻雜元素為氮、磷、硼中的任意一種。本發(fā)明將共價有機框架化合物衍生的摻雜型多孔碳與活性碘復合形成了電化學性能優(yōu)異的鋅?碘電池正極材料，摻雜型多孔碳存在大量的孔隙和豐富的活性位點，能夠很好地束縛活性碘在循環(huán)中形成的聚碘陰離子，抑制聚碘陰離子擴散，抑制活性碘的穿梭效應，使得碘正極更加穩(wěn)定，有效解決了鋅碘電池所面臨的問題。

技術領域

本發(fā)明涉及儲能技術領域，具體涉及一種高穩(wěn)定鋅碘電池正極復合材料及其制備方法與應用。

背景技術

公開該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經(jīng)成為本領域一般技術人員所公知的現(xiàn)有技術。

隨著目前人們對數(shù)碼電子產(chǎn)品、電動工具、電動汽車、大規(guī)模儲能設備等的需求逐漸增強，高性能大容量的二次儲能可充放電電池的開發(fā)迫在眉睫。電極材料作為電池組成中決定電池儲能的關鍵部分，開發(fā)具有高穩(wěn)定、長壽命、高容量的電極材料至關重要。

由于金屬鋅具有電極電勢低，能量密度高、環(huán)境友好、在水中穩(wěn)定等優(yōu)點，基于水相電解質(zhì)的鋅二次電池因此被視為一種有前途的能源存儲器件，在最近十年引起了人們的關注。碘是一種具有高能量密度的電極材料，且來源廣泛、成本低廉、環(huán)境友好。基于鋅與碘之間的可逆化學反應的電池設計有望獲得具有高能量密度且綠色廉價的二次電池。世紀八十年代，日本科學家進行了一些相關的初步研究，但是普遍面臨正極載碘量有限、電池容量衰減劇烈的問題。2015年，美國西北太平洋國家實驗室的王偉等人報道了水相鋅碘液流電池，在該電池設計中，鋅元素和碘元素被存儲于水相電解質(zhì)中，電池能量密度達到167Wh L-1，但穩(wěn)定循環(huán)性還是不盡如人意，因為鋅-碘電池中正極的I3-/I-離子的氧化還原反應和穿梭效應，易導致循環(huán)過程中容量迅速衰減和庫倫效率逐漸降低。

目前，現(xiàn)有技術中公開了一種水相電解質(zhì)體系鋅碘二次電池，正極為含碘復合材料，包括碘/多孔活性碳粉復合物、碘/介孔碳復合物、碘/碳納米管復合物或碘/活性碳纖維復合物的一種或幾種，雖然該鋅碘電池表現(xiàn)出了較好的庫倫效率，但是正極的穩(wěn)定性還有待加強，在前500周的充放電循環(huán)中依然存在容量衰減的問題。有研究者提出采用雜原子摻雜碳基底，能夠増強碳基底與碘物種之間的吸附作用，從而進一步提升電池中氧化還原反應的可逆性和電池的循環(huán)穩(wěn)定性，這雖然是一種有效的策略，但事實上摻雜所帶來的活性位點比較有限，仍舊限制了鋅碘電池的應用。因此，對于鋅碘電池正極材料的研究還需要進行更深入的探索才能夠滿足鋅碘電池進行廣泛應用的穩(wěn)定性要求。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種高穩(wěn)定鋅碘電池正極復合材料及其制備方法與應用，本發(fā)明將共價有機框架化合物衍生的摻雜型多孔碳與活性碘復合形成了電化學性能優(yōu)異的鋅-碘電池正極材料，共價有機框架化合物衍生的摻雜型多孔碳存在大量的孔隙和豐富的活性位點，能夠很好地束縛活性碘在循環(huán)中形成的聚碘陰離子，抑制聚碘陰離子擴散，抑制活性碘的穿梭效應，使得碘正極更加穩(wěn)定，有效解決了鋅碘電池所面臨的穩(wěn)定性差的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面提供一種高穩(wěn)定鋅碘電池正極復合材料，所述正極復合材料包括共價有機框架化合物衍生的摻雜型多孔碳和活性碘；

所述摻雜型多孔碳的摻雜元素為氮、磷、硼中的任意一種。

本發(fā)明第二方面提供一種上述高穩(wěn)定鋅碘電池正極復合材料的制備方法，具體包括：

(1)制備或獲取摻雜型共價有機框架化合物；

(2)將步驟(1)獲得的摻雜型共價有機框架化合物進行熱處理，然后冷卻降溫，得到摻雜型多孔碳；

(3)將活性碘與摻雜型多孔碳混合均勻，然后進行熱處理，冷卻降溫后即得高穩(wěn)定鋅碘電池正極復合材料。