[發明專利]新型水系鎂金屬二次電池其及制備方法

在審

• 申請號: 202110610892.7
• 申請日: 2021-06-01
• 公開（公告）號: CN113363598A
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 支春義;唐永超;李洪飛;呂海明;唐子杰
• 申請（專利權）人: 松山湖材料實驗室
• 主分類號: H01M10/38
• 分類號: H01M10/38;H01M4/46;H01M4/62;H01M10/36
• 代理公司: 深圳市千納專利代理有限公司 44218
• 代理人: 陳培瓊

本發明公開了一種新型水系鎂金屬二次電池其及制備方法，其包括以下步驟：選用安全無毒的鎂合金作為陽極；選用具有大尺寸離子擴散通道的常見陰極材料與導電碳黑、粘結劑調漿，制得水系鎂金屬電池用的陰極；將鎂鹽及添加劑超聲助溶于具有一定體積比的水系/有機混合電解液，將該電解液用于水系鎂金屬二次電池組裝，所組裝出來的水系鎂金屬二次電池可在大電流下穩定循環60次以上，大幅提升電池循環壽命，輸出電壓高、比容量大，表現出1.6V以上的高輸出電壓及197mA h g^?1的高可逆比容量，具有重要的潛在應用價值，而且對使用場景依賴較小，適用范圍廣，可以在電網儲能、低速電動車及柔性穿戴式供電等領域均有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于水系鎂金屬電池技術領域，具體涉及一種新型水系鎂金屬二次電池其及制備方法。

背景技術

“碳中和”關乎人類社會綠色可持續發展，發展二次儲能技術實現可再生能源高效利用是實現該目標的關鍵一環。地殼中鎂儲量豐富，且鎂金屬標準電極電勢較低(-2.372Vvs標準氫電極，與鈉金屬接近)，基于鎂金屬陽極構建高安全、高比能的水系電池，在電網削峰填谷、低速電動汽車及柔性穿戴式供電等領域具有廣闊的應用前景。因此，發展高性能的水系二次鎂電池具有重要的戰略意義。

當前正在研究或已實現應用的水系鎂金屬電池均為一次電池，包括鎂金屬-水電池及鎂-氧電池，主要應用于特殊場景如海水或海面作業供電。其工作機制是鎂金屬與水或氧氣接觸被逐漸氧化，最終產物為氧化鎂或氫氧化鎂，不能實現可逆應用。盡管采用非鎂金屬陽極如水合鐵釩等能構建水系二次鎂離子電池，但由于大部分水系儲鎂陽極材料低標準電極電位均高于鎂金屬，往往導致所構建的水系鎂離子電池輸出電壓較低(大多≤1.2V)，且比容量難以大幅提升(通常在120mA h g^-1以下)。相比之下，直接以鎂金屬為陽極構建二次水系電池具有多種優勢：1)實現鎂金屬循環利用，降低成本；2)與高性能正極材料匹配，可實現能量/功率密度大幅提升；3)應用場景多樣化，可用于電網儲能、低速電動車及柔性穿戴供電等領域。然而，二次水系鎂金屬電池至今還未曾被報道，原因在于鎂金屬在水系電解液中易于鈍化，其表面產生的鈍化組分如氧化鎂、氫氧化鎂等成分幾乎不能導鎂離子，導致電池幾乎不能循環使用。相比于鎂金屬，鎂合金生產成本較低，其抗氧化及抗腐蝕能力較強，更有利于用于構建高性能二次水系鎂金屬電池。另外，采用可誘導鎂合金陽極界面原位形成導離子層的添加劑，并在水系/有機電解液體系中工作，可顯著提升水系鎂金屬二次電池循環壽命。因此，基于合適的電解液及鎂合金陽極構筑高安全、高比能的水系二次電池，具有十分重要的應用價值。

公開號“CN106898788A”，公開了一種鎂水電池，包括鎂或鎂合金陽極、隔膜、載有析氫催化劑陰極以及陰極反應物水；所述陽極與所述陰極相對設置，所述隔膜設置于二者之間,所述陽極、陰極、隔膜均置于水中。其雖然解決了傳統鎂溶解氧海水電池對海水中氧濃度的依賴，即使在無氧環境下電池也能正常工作。但是其放電過程受外在環境(如溶解氧等)影響較大，可控性較差；而且一旦填充電解液，電化學反應即發生，不能實現滿電解液情況下長期儲存；也不能實現鎂金屬陽極電化學沉積-溶解，無法實現鎂金屬循環使用，造成資源浪費；另外，適用范圍窄，僅適用于某些特殊場合，如海上應急供電、照明等，無法實現穿戴式及便攜式供電使用。

發明內容

針對上述的不足，本發明目的在于，提供一種新型水系鎂金屬二次電池其及制備方法。

為實現上述目的，本發明所提供的技術方案是：

一種新型水系鎂金屬二次電池制備方法，其包括以下步驟：

(1)以不同體積比例的去離子水和有機醇醚為溶劑，將鎂鹽及含碘添加劑超聲輔助溶解于溶劑中，形成水系/有機混合電解液；通過超聲輔助更利于溶解,超聲助溶時間優選為1～10min；

(2)將儲鎂陰極活性材料與導電碳黑、PVDF粘結劑相研磨混合，以氮甲基吡咯烷酮為溶劑，調成均勻的黑色漿料，再將黑色漿料涂覆于集流體上，待干燥后制得水系儲鎂陰極待用；