[發明專利]一種適用于大規模儲能應用的水系銅離子電池

有效

• 申請號: 202110406489.2
• 申請日: 2021-04-15
• 公開（公告）號: CN112928343B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 張璐;段澤昂;韓樹民;王文鳳;王雨
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: H01M10/36
• 分類號: H01M10/36;H01M10/38;H01M4/583
• 代理公司: 北京壹川鳴知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11765
• 代理人: 賈彥虹

本發明公開了一種適用于大規模儲能應用的水系銅離子電池，它是以由氯化膽堿和氯化銅組成的水溶液為電解液，以活性碳為正極，金屬銅箔為負極，正、負極之間以隔膜隔開組成電池。該電池正負極材料和電解液分別采用低成本的碳材料、金屬銅箔和廉價的金屬含銅離子的氯化鹽，制備過程簡單，制備價格極低，周期短，在充放電過程中不僅離子遷移率高，而且僅涉及載流子金屬銅離子的氧化還原反應，避免了金屬離子在材料中嵌入脫出過程電荷屏蔽效應造成的動力學問題，該電池具有容量高、能量密度高、倍率性能好以及循環穩定、環境友好的特點，具有良好的電化學性能。本發明適用于制備水系銅離子電池。

技術領域

本發明屬于電化學儲能技術領域，涉及一種適用于大規模儲能應用的水系銅離子電池。

背景技術

隨著國際社會對保障能源安全和應對氣候變化等問題的日益重視，發展可再生能源已成為世界各國的普遍共識和一致行動。然而，可再生能源具有波動性、隨機性、間歇式的特點，大規模并網會對電網安全穩定運行帶來嚴峻挑戰，而發展大規模儲能技術是有效的解決方案。電池儲能技術是支撐大規模儲能系統的關鍵技術之一，在電力系統發展和能源變革中具有重要作用。然而區別于移動設備電源和動力電池，價格和安全性是大規模儲能電池的首要因素。在眾多電池儲能系統中，水系離子電池在資源、價格和安全性等方面存在明顯優勢，在大規模儲能領域展現出了良好的應用價值和發展前景。

目前開發的水系二次電池儲能技術主要有水系堿金屬離子電池，包括鋰離子電池、鈉離子電池和鉀離子電池，以及水系多價金屬離子電池，包括鋅離子電池、鎂離子電池和鋁離子電池。其中，能夠采用金屬負極并基于相應金屬離子進行可逆還原沉積-氧化溶解反應的水系金屬基二次電池，由于負極金屬的氧化還原電位相對穩定且比容量高，電池能量密度高，具有良好的應用優勢和前景。但堿金屬離子包括Li⁺、Na⁺和K⁺以及多價金屬Mg²⁺和Al³⁺氧化還原電位較負，均在水系電解液電化學穩定窗口外，因此，目前尚未實現基于金屬負極的水系金屬基二次電池技術，其水系二次電池的正負極材料仍然采用能夠使其金屬離子嵌入-脫出的無機材料或有機材料等。

鋅離子(Zn²⁺)的氧化還原電位(–0.78V vs.標準氫電極)相對較高且金屬鋅具有資源豐富、成本低廉、理論比容量高，因此，水系鋅基二次電池是近年來備受關注的電池儲能技術。然而，鋅金屬在充放電時常常伴有電極變形、枝晶、腐蝕、析氫等問題，限制了水系鋅離子電池的進一步發展。相對于金屬鋅，金屬銅在儲量、制造成本和導電性方面更具有優勢，在大規模儲能應用領域前景廣闊。Cu²⁺載流子氧化還原電位較高(0.153V vs.標準氫電極)，水系電解液不易發生析氫反應，但同時也面臨著無可匹配的正極材料的問題，目前仍未實現水系銅基二次電池的電池儲能技術。

發明內容

本發明旨在提供一種適用于大規模儲能的水系銅離子電池，該電池正負極材料和電解液分別采用低成本的碳材料、金屬銅箔和廉價的金屬含銅離子的氯化鹽，制備過程簡單，制備價格極低，周期短，在充放電過程中不僅離子遷移率高，而且僅涉及載流子金屬銅離子的氧化還原反應，避免了金屬離子在材料中嵌入脫出過程電荷屏蔽效應造成的動力學問題，該電池具有容量高、能量密度高、倍率性能好以及循環穩定的特點，具有良好的電化學性能。

本發明所提供的技術方案如下：

一種適用于大規模儲能應用的水系銅離子電池，包括正極、負極、用于分隔正負極的隔膜和水系電解液，所述正極由活性物質活性碳、導電劑和粘結劑組成，負極為金屬銅箔，水系電解液為含銅離子的水溶液。

作為本發明的限定：

(一)所述水系電解液為含有氯化膽堿與氯化銅的混合水溶液，所述氯化膽堿與氯化銅的質量摩爾濃度比為30～40:0.5～2；