[發明專利]一種基于自吸附和自分層效應的水系液態電極電池

在審

• 申請號: 202211711527.6
• 申請日: 2022-12-29
• 公開（公告）號: CN115954556A
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 金鐘;張凱強;鐵祚庥;李佳睿;王帆
• 申請（專利權）人: 南京大學天長新材料與能源技術研發中心;南京大學;南京鐵鳴能源科技有限公司;蘇州鐵睿新能源科技有限公司;滁州極鑫新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M10/36
• 分類號: H01M10/36;H01M4/02;H01M4/62;A62C3/16
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 錢超

本申請公開了一種基于自吸附和自分層效應的水系液態電極電池，取含有疏水性咪唑類的水溶性鹽和含有雙三氟甲基磺酰亞胺離子的水溶性鹽分別溶解于去離子水溶液中，將兩個水溶液混合并靜置；將吸附性碳材料、導電炭黑和聚偏氟乙烯混合，分散在有機溶劑中，并攪拌成糖稀狀的粘稠混合物涂抹在集流體上，置于真空干燥箱干燥，商用的鋅箔作為電池的陽極，3摩爾每升的三氟甲磺酸鋅所浸潤的Whatman過濾膜用作正負極隔膜，制得的離子液體所浸潤的集流體做陰極來構建基于自吸附和自分層效應的水系液態電極電池；該自組裝1?乙基?3?甲基咪唑雙(三氟甲基磺基)酰亞胺液態電極同時實現了液相自分離，固定氧化還原活性物質和貫通的離子傳導。

技術領域

本申請屬于液態電池領域，尤其涉及一種基于自吸附和自分層效應的水系液態電極電池。

背景技術

隨著化石能源的逐漸枯竭和由于化石能源的大量使用所造成的環境問題日益加重，全世界各國政府的科學家、工程師等正在加大力度將清潔可持續的新能源，如太陽能，核能，風能，轉化為電能并入網供電，以此既保證目前人類現代化便捷生活的同時又逐步降低并擺脫對化石能源的依賴。為了更好的在生活的各個領域存儲清潔便利的電能來保證各種功能設備的正常使用，高性能的儲能電池技術的開發成為了不可繞開的關鍵環節。

目前電池技術的研究主要落腳到研發大容量、長壽命、快速充電、低成本無污染的電池材料選擇、使用安全的理想二次電池。這些需要同時滿足的電池屬性共同作用使得高性能電池的研發如同木桶原理，需要盡可能同時滿足更多的實用需求。

電化學電池的儲能原理主要依賴于通過選擇合適的電極材料來構建化學勢差，電極材料通過存儲(獲釋放)帶電離子來影響電池整體的輸出電壓。自從最早期的插層電極材料的發現，到現在各種復合電極材料的設計構建，幾乎無一例外都是以固態材料為基礎。然而電極材料的充放電原理恰好是依賴于電極材料對帶電離子的吞噬(或釋放)，這一過程將不可避免地沖擊電極材料原有的微觀原子分布結構，隨著這一吞噬和釋放過程的反復進行，久而久之造成電極材料微觀結構的坍塌和崩潰，宏觀上造成電池的充放電能力消失。電極材料若想盡可能長久的維持其原有微觀原子結構，進而實現電池的超長服役壽命，在充放電過程中沒有或極其微弱的對電極材料微觀結構沖擊是關鍵。由上不難發現傳統的電池充放電和想要實現的長壽命電池存在嚴重的相悖性。這就暗示了電極材料的進一步研發需要重新思考，尋找在充放電過程中不改變電極材料微觀結構的充放電機理理論上將會從根本上滿足長壽命電池的需要。

由上述分析，液態電極因其沒有固定微觀原子結構，該屬性恰好滿足零晶格應力電極材料的要求。目前發展的三類液態電極主要分為液態金屬電極，熔鹽電極，液態有機電極。液態金屬電極的理念在2014年由麻省理工學院教授DonaldR.Sadoway首次提出，并報道了基于高溫液態金屬電極的電池。在此后的幾年里基于液態金屬電極的電池經歷了緩慢的發展。同熔巖電極類似，液態金屬電極電池一般要求較高的工作溫度使金屬電極維持在液態狀態(鈉鉀合金Na/K和鎵銦合金Ga/In等液態金屬電極除外)。液態金屬電池和熔鹽電極電池一般都需要陶瓷固態電解質來實現陰陽極的隔離和載流子的傳輸?？偟膩碚f，基于上述兩類液態電極的電池限定了苛刻的工作條件、高昂的規模制備成本、嚴重的安全隱患。相反，液流電池是典型的在室溫下工作的液態電極電池。有關液流電池的研發已有超過二十年的歷史，但其正常的充放電依賴于正極液和負極液中間的高成本離子導通隔膜來防止出現活性電解液發生混溶以及交叉污染，但是高昂離子導通膜的效力有限。另外，液態電極中的氧化還原活性分子(離子)雖無固定的結構約束，可以自由游離，但是其氧化(還原)態的空氣敏感性使得電池的工作限定于持續的惰性保護氣環境中，如此苛刻的電池工作條件要求、高昂的隔膜等部件成本、違背環?？沙掷m發展理念的大量有機物等不利因素反而限制了其大規模的實際應用。

發明內容

解決的技術問題：本申請提供了一種基于自吸附和自分層效應的水系液態電極電池，解決了現有技術中電極材料微觀結構的坍塌和崩潰，宏觀上造成電池的充放電能力消失等技術問題。

技術方案：