[發明專利]一種堿性錫空氣電池

在審

• 申請號: 202111034982.2
• 申請日: 2021-09-04
• 公開（公告）號: CN113948798A
• 公開（公告）日: 2022-01-18
• 發明（設計）人: 趙東元;晁棟梁;周萬海;宋明
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01M12/08
• 分類號: H01M12/08;H01M12/06;H01M10/26
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于電化學技術領域，具體為一種堿性錫空氣電池。本發明的堿性錫空氣電池以錫金屬作為負極，以堿為溶質的水溶液或凝膠作為電解質，以空氣電極作為正極，以隔膜或物理間隔方式將正負極隔開；所述錫負極為錫金屬箔、錫金屬粉、多孔錫金屬泡沫、集流體自支撐錫金屬中的一種，或其中多種的多孔復合物；所述電解質包括以氫氧化鈉、氫氧化鉀或氫氧化鋰中的一種或多種的混合物為溶質的水溶液或凝膠；所述空氣電極由疏水透氣層、集流層和催化層復合而成。堿性錫空氣電池具有高比能量、長壽命、高功率、低成本、優良環境友好性等特點。

技術領域

本發明屬于電化學技術領域，具體涉及一種堿性錫空氣電池。

背景技術

電化學能源轉化與存儲器件特別是高性能電池的研發，是人類探索綠色能源利用和應對能源危機的科學嘗試之一。金屬空氣電池因其具有高理論比能量（約為鋰離子電池的3-30倍），被認為是下一代電池體系的重要候選者之一。該類電池通常由純金屬作負極活性物質、空氣中的O₂做正極活性物質，是一類介于傳統電池和燃料電池之間的半開放電池體系。按照電解液類型不同，金屬空氣電池可以分為非水系有機體系和水系體系兩大類。其中典型的非水系有機體系包括鋰空氣電池、鈉空氣電池和鉀空氣電池，理論能量密度分別高達11410Wh/kg、2677Wh/kg和1622Wh/kg。但是，有機電解液的易燃性及堿金屬負極的高活潑性所導致的本質安全性問題，是其未來應用需要面對的終極問題。相比較之下，基于水性電解液本征的不易燃易爆、高離子電導率、低成本及環境友好性，水系金屬空氣電池具有本征的高安全性、簡易裝配工藝、高功率特性及低成本優勢。因此，開發基于水系電解液體系的金屬空氣電池研究具有現實的意義。

現有水系金屬空氣電池主要包括鎂空氣電池、鋁空氣電池、鐵空氣電池及鋅空氣電池。其中鎂空氣電池及鋁空氣電池由于金屬陽極在水性電解液中的不可逆性，僅可作為一次電池使用而不具備可充電性，制約了其應用。鐵空氣電池的理論比能量高達1227Wh/kg，但是放電過程造成的Fe(OH)₂鈍化層及充電過程中的HER副反應，將使得電池的倍率性能、能量密度和充放電效率大大受損。鋅空氣電池比能量高達1350Wh/kg，并且由于其具有良好的可充電性而受到廣泛關注，但是，由于鋅負極嚴重的腐蝕溶解、枝晶、鈍化和形變問題，鋅空氣電池的實際比能量及循環壽命大大受限。因此，為滿足未來高比能、高安全、低成本的應用需求，亟需開發新型的高比容量、高電壓、長壽命、低成本、環境友好的電池體系。

發明內容

本發明的目的在于提出一種高比容量、高電壓、長壽命、低成本、環境友好的堿性錫空氣電池。

本發明提出的堿性錫空氣電池，以錫金屬作為負極，以堿為溶質的水溶液或凝膠作為電解質，以空氣電極作為正極，以隔膜或物理間隔方式將正負極隔開。

本發明中，所述的電解液為堿性電解液，即以水作為溶劑，堿作為溶質，pH值介于10~16之間。

本發明的堿性錫空氣電池，其工作原理和特性為：

第一，堿性電解液中，錫金屬負極在零價態與其氧化態（Ⅱ價或Ⅳ價）之間進行氧化還原反應，如公式（1）至（2）所示，其電極電位可達約–1.0 V vs. SHE；

Sn+6OH^-?SnO₃^2-+3H₂O+4e^-，（1）；

Sn+4OH^-?SnO₂^2-+2H₂O+2e^-，（2）；

第二，錫金屬負極具有903mAh/g或6574mAh/cm³的高理論比容量；

第三，錫負極基于溶解/析出的電化學反應機制，具有優異的電化學動力學特性，有利于高倍率輸出；

第四，堿性電解液中，空氣正極在零價態與其氧化態（Ⅱ價）之間進行氧化還原反應，如公式（3）所示，其電極電位可達約0.3V vs. SHE；