[發明專利]一種高能量密度和長循環壽命水系鋅基二次電池

有效

• 申請號: 202210177582.5
• 申請日: 2022-02-25
• 公開（公告）號: CN114551854B
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 張璐;王文鳳;趙佳晉;段澤昂;李如月;齊亞迪;韓樹民
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: H01M4/48
• 分類號: H01M4/48;H01M4/38;H01M10/36;H01M10/38
• 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

本發明公開了一種高能量密度和長循環壽命的水系鋅基二次電池，該電池正極活性物質為具有層狀結構的五氧化二釩或陽離子缺陷型釩基氧化物中的一種，負極為金屬鋅箔，電解液為由氯化鋅與氯化膽堿兩種氯化鹽形成的高濃度水溶液，分別制作正極片、電解液及對電池封裝后形成水系鋅基二次電池。本發明提供的水系鋅基二次電池采用的新型高濃度電解液，不僅具有高熱力學穩定性和寬電化學窗口，還能夠同時實現正極材料循環穩定性和負極鋅離子沉積/剝離庫倫效率的提高，構建的新型水系鋅基二次電池具有容量和能量密度高以及循環壽命長的特點，電化學性能優異。

技術領域

本發明屬于儲能和電池技術領域，涉及一種高能量密度和長循環壽命水系鋅基二次電池。

背景技術

近年來，二氧化碳排放所致的氣候變化嚴重威脅人類生存與發展，世界各國以全球協約的方式減排溫室氣體以應對氣候變化。發展低碳能源，優化能源結構，實現低碳經濟，已成為人類發展的現實選擇。為推動能源革命和清潔低碳發展，風能、太陽能等可再生能源擔當主力能源是主導方向，發展經濟的可再生能源存儲技術已成為全球性趨勢。

電池儲能技術通過化學能和電能間相互轉換實現能量的存儲和利用，其不僅是推動電動汽車廣泛應用，降低溫室效應的重要支撐，也是間歇性可再生能源大規模并網利用的有效解決方案。鋰離子電池儲能技術是目前較為成熟的電化學儲能技術，已廣泛應用于便攜式/可充電設備等儲能裝置。然而，鋰離子電池有機電解液易燃性造成的安全問題，以及鋰資源短缺和電池設計的高成本帶來了許多經濟挑戰，使得鋰離子電池技術難以滿足日益增長的應用需求，特別是在可再生能源存儲應用領域。

水系電池在資源、價格和安全性等方面存在明顯優勢，近年來在大規模儲能領域展現出了良好的應用價值和發展前景。其中，基于鋅負極的水系二次電池由于金屬鋅具有資源豐富、成本低廉、理論比容量高等特點，成為近年來備受關注的新型儲能技術。水系鋅基二次電池采用硫酸鋅、三氟甲烷磺酸鋅、二(三氟甲基磺酸)亞胺鋅等弱酸性電解液，不同于廣泛應用的鋅錳一次電池采用堿性電解液，鋅負極鈍化產物氧化鋅和氫氧化鋅的生成以及正極二氧化錳的不可逆轉變得到了顯著抑制。然而，目前開發的水系鋅基二次電池體系中，錳基氧化物、釩基氧化物等正極材料存在明顯溶解現象，并且金屬鋅負極也會發生枝晶生長，析氫以及鈍化導致的庫倫效率低的問題，從而造成水系二次鋅基電池循環壽命差。此外，現有水系鋅基二次電池電解液電化學窗口狹窄，也限制了電池的能量密度。因此，開發新型的水系鋅基二次電池用新型電解液，提升水系二次鋅基電池的循環壽命和能量密度，具有十分重要的意義。

發明內容

本發明針對目前典型水系二次鋅基電池存在的上述問題，旨在提供一種高能量密度和長循環壽命水系鋅基二次電池，該電池具有成本低、能量密度高和循環壽命長的優點。

為解決上述技術問題，本發明所提供的技術方案如下：

一種高能量密度和長循環壽命水系鋅基二次電池，其組成包括以具有層狀結構的五氧化二釩或陽離子缺陷型釩基氧化物為活性物質作為正極，以金屬鋅箔作為負極，氯化鋅與氯化膽堿兩種氯化鹽形成的高濃度水溶液為電解液和用于分隔正負極的多孔隔膜。

本發明采用具有層狀結構的五氧化二釩或陽離子缺陷型釩基氧化物作為正極材料，主要是因為其具有較大的層間距，有利于載流子的快速傳輸和存儲，并且金屬釩氧化還原電位適中且比容量高，同時，相比于現有錳基正極材料，其不會發生嚴重的晶體結構轉變和坍塌。

作為本發明的一種限定，所述氯化鋅與氯化膽堿質量摩爾濃度比為2:1，所述電解液濃度為45～300m；當兩種氯化鹽以該比例混合時，具有最低凝固點，且在電解液中能夠形成穩定的配合離子結構，熱力學性能穩定；而當氯化鋅與氯化膽堿質量摩爾濃度比大于或小于2:1時，電解液凝固點升高，對環境溫度敏感，電解液中形成的配合離子結構不穩定，從而造成金屬鹽的析出，使電池不能正常工作。