本发明专利技术公开了一种提高水系锌锰电池工作电压的电解液，为含有三价和/或四价金属离子的水系电解液。所述水系锌锰电池为一次电池或二次电池，当水系锌锰电池为一次电池时，所述电解液为三价和/或四价金属离子的水系电解液；当水系锌锰电池为二次电池时，所述电解液为三价和/或四价金属离子、锌离子和二价锰离子的水系电解液。本发明专利技术以含三价和/或四价金属离子的电解液作为水系锌锰电池的电解液，用于改变电解液及电极/电解液界面的组成，从而改变电极与电解液之间的平衡交换电位，可以提高水系锌锰电池的工作电压、比容量等电化学性能，最终提高电池的能量密度。
【技术实现步骤摘要】
一种提高水系锌锰电池工作电压的电解液及其应用
本专利技术属于水系锌离子电池电解液
，涉及一种提高水系锌锰电池工作电压的电解液及其应用，特别涉及一种提高水系锌锰电池工作电压的含三价和/或四价金属离子的水系锌锰电池电解液及其应用。
技术介绍
水系锌离子电池由于其安全环保、价格低廉的优点，有望成为下一代新能源储能体系。锰基材料由于其无毒，工作电压以及比容量较高的优点，是目前水系锌离子电池最适合的正极材料。但是在实际的生活应用中，工作电压依旧是制约水系锌锰电池进一步广泛应用的主要因素。目前，使用常规的硫酸锌电解液，水系锌锰电池工作电压仅为1.25V左右，钒基材料工作电压更低，仅0.8V左右。假如，电池的比容量为300mAhg-1，使用常规的硫酸锌电解液，能量密度仅为375Whkg-1。如果工作电压每提高0.1V，能量密度可以提高30Whkg-1。所以相比于提高电池的比容量性能，提高电池的工作电压指标更为重要。目前，提高水系锌离子电池工作电压的方法主要是通过改变正极材料的性质，比如使用普鲁士蓝类似物做正极等。但这种方法比较复杂，反应涉及毒性较大的氰根配体，不符合绿色环保的要求，制备难度大，不适合大批量生产，而且改变正极材料这种方法始终有限。考虑到电极电势的大小与电极、电解液有关，所以通过改变电解液环境，来改变电极电势是一种改变电池电动势比较可行的办法。目前改变电解液环境方面，一般都是用超高浓度的离子液体电解液来提高水系锌锰电池电压，但是该电解液太过于昂贵，且不环保，不适合大规模使用。
技术实现思路
<br>针对现有技术中存在的不足，本专利技术的目的是在于提供一种提高水系锌锰电池工作电压的电解液，以含三价和/或四价金属离子的电解液作为水系锌锰电池的电解液，用于改变电解液及电极/电解液界面的组成，从而改变电极与电解液之间的平衡交换电位，可以提高水系锌锰电池的工作电压、比容量等电化学性能，最终提高电池的能量密度。为了实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种提高水系锌锰电池工作电压的电解液，为含有三价和/或四价金属离子的水系电解液。优选的，所述水系锌锰电池为一次电池或二次电池，当水系锌锰电池为一次电池时，所述电解液为三价和/或四价金属离子的水系电解液；当水系锌锰电池为二次电池时，所述电解液为三价和/或四价金属离子、锌离子和二价锰离子的水系电解液。优选的，所述三价和/或四价金属离子选自Al3+、Fe3+、Ti4+、Ce4+中的至少一种，三价和/或四价金属离子的浓度为0.1～2molL-1。更优选的，所述三价金属离子为Al3+，其浓度为1～2molL-1。Al3+的稳定性好，安全性高，本专利技术优选采用可溶性铝盐(如硫酸铝、氯化铝、硝酸铝、三氟甲烷磺酸铝等)的溶液作为一次电池电解液；或添加至锌离子和二价锰离子电解液中作为二次电池的电解液，三价的铝离子，其化合价高于二价的锌离子，离子半径小于二价的锌离子，更有利于正极反应。本专利技术还提供了上述电解液的应用，将其用于水系锌锰电池，水系锌锰电池正极采用锰基正极材料，如二氧化锰，三氧化二锰，四氧化三锰，一氧化锰，锰酸锂，锰酸钙，锰酸镁，锰酸钠，锰酸钾等。优选的，所述水系锌锰电池为一次电池，正极材料采用α-MnO2；或为二次电池，正极材料采用Ca2MnO4。更优选的，一次电池中，所述电解液为三价和/或四价金属离子的水系电解液，三价和/或四价金属离子的总浓度为0.1～2molL-1；或二次电池中，所述电解液为三价和/或四价金属离子、锌离子和二价锰离子的水系电解液，三价和/或四价金属离子的总浓度为0.1～2molL-1。最优选的，二次电池中，正极侧为三价和/或四价金属离子和二价锰离子的水系电解液，三价和/或四价金属离子浓度为0.1-2molL-1，二价锰离子浓度为0.05-0.2molL-1；负极侧为锌离子和二价锰离子的水系电解液，锌离子浓度为0.5-3molL-1，二价锰离子浓度为0.05-0.2molL-1。本专利技术的水系锌锰电池电解液，不仅继承了水系电池安全环保，高电导率，廉价制备简单的优点，通过在水系锌锰电池常规电解液(如硫酸锌水系电解液、三氟甲烷磺酸锌水系电解液、氯化锌水系电解液、硝酸锌水系电解液、高氯酸锌水系电解液、醋酸锌水系电解液、碘化锌水系电解液等)中引入三价和/或四价的高价态金属离子(如Al3+、Fe3+、Ti4+、Ce4+等)，改变电解液及电极/电解液界面的组成，从而改变电极与电解液之间的平衡交换电位，可以提高水系锌锰离子电池的工作电压、比容量等电化学性能，最终提高电池的能量密度。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：(1)本专利技术的含有三价和/或四价金属离子的水系电解液相比于传统的水系锌锰电池常规电解液(如硫酸锌水系电解液、三氟甲烷磺酸锌水系电解液、氯化锌水系电解液、硝酸锌水系电解液、高氯酸锌水系电解液、醋酸锌水系电解液、碘化锌水系电解液等)，以α-MnO2做正极的一次电池，常规的硫酸锌水系电解液首圈工作电压平台为1.25V(比容量为220mAhg-1)，而硫酸铝水系电解液的首圈放电平台有两个，分别为1.65V(比容量为230mAhg-1)和1.3V(比容量为280mAhg-1)，均高于常规硫酸锌电解液工作电压，容量更是常规硫酸锌电解液的两倍还多。(2)本专利技术的含有三价和/或四价金属离子的水系电解液相比于传统的水系锌锰电池常规电解液(如硫酸锌水系电解液、三氟甲烷磺酸锌水系电解液、氯化锌水系电解液、硝酸锌水系电解液、高氯酸锌水系电解液、醋酸锌水系电解液、碘化锌水系电解液等)，以Ca2MnO4做正极的二次电池，电压窗口由原来的0.8-1.8V，提高到现在的0.8-2V，电压窗口提高了0.2V；充电电压峰提高了0.32V，两个放电电压峰分别提高了0.31V和0.07V，不仅可以拓宽电压窗口，还可以提高工作电压平台。附图说明图1为对比例1中的电池的首圈放电曲线图。图2为实施例1中的电池的首圈放电曲线图。图3为对比例2和实施例2中的电池的循环伏安曲线(CV)对比图。图4为对比例2和实施例2中的电池的第二圈恒流充放电(GCD)对比图。图5为实施例2中的电池在电流密度为1Ag-1的条件下的长循环性能图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明，本专利技术所述原料均通过商业途径获得，本专利技术所述制备方法如无特殊说明均为本领域常规制备方法，以下实施例旨在说明本专利技术而不是对本专利技术的进一步限定。对比例1采用α-MnO2为正极，2molL-1的硫酸锌为电解液，锌片为负极，组装成电池进行测试。对比例2采用Ca2MnO4做正极，2molL-1的硫酸锌加0.1molL-1的硫酸锰为电解液，锌片为负极，组装成电池进行测试。实施例1采用α-MnO2为正极，1molL-1的硫酸铝为电解液，锌片为负极，组装成电池进行测试。图1和图2分别为对比例1和实施例1中的电池的首圈放电曲线图本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种提高水系锌锰电池工作电压的电解液，其特征在于：所述电解液为含有三价和/或四价金属离子的水系电解液。/n
【技术特征摘要】
20200228 CN 20201012801701.一种提高水系锌锰电池工作电压的电解液，其特征在于：所述电解液为含有三价和/或四价金属离子的水系电解液。
2.根据权利要求1所述的一种提高水系锌锰电池工作电压的电解液，其特征在于：所述水系锌锰电池为一次电池或二次电池，当水系锌锰电池为一次电池时，所述电解液为三价和/或四价金属离子的水系电解液；
当水系锌锰电池为二次电池时，所述电解液为三价和/或四价金属离子、锌离子和二价锰离子的水系电解液。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高水系锌锰电池工作电压的电解液，其特征在于：所述三价和/或四价金属离子选自Al3+、Fe3+、Ti4+、Ce4+中的至少一种，三价和/或四价金属离子的浓度为0.1～2molL-1。
4.根据权利要求3所述的一种提高水系锌锰电池工作电压的电解液，其特征在于：所述三价金属离子为Al3+，其浓度为1～2molL-1。
5.权利要求1-4任...
【专利技术属性】
技术研发人员：方国赵，郭珊，梁叔全，刘哲轩，张腾升，马君剑，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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