一种K-Zn混合离子水系可充电电池制造技术

本发明专利技术涉及一种K‑Zn混合离子水系可充电电池，由正极活性材料、负极活性材料、以及介于两者之间的隔膜和离子导电性的混合离子电解液组成；所述的正极活性材料为KZnHCF电极材料，所述的离子导电性的混合离子电解液是钾的可溶盐和锌的可溶盐为溶质、水为溶剂，钾的可溶盐的浓度为0.1‑30.0molkg

【技术实现步骤摘要】
一种K-Zn混合离子水系可充电电池
本专利技术属于电化学能源转化
，具体涉及一种K-Zn混合离子水系可充电电池。
技术介绍
当今，能源危机日益加剧，化石燃料的滥用加剧了气候变化。因此，各国纷纷开始使用风能和太阳能等大规模绿色和可再生能源。然而，如何有效地储存和运输这些绿色能源是我们人类面临的另一个挑战。对于大型能源储存系统来说，安全性是最重要的，另外成本低、使用寿命长、高效率也是重要的评价标准。非水系锂离子和钠离子电池具有高能量密度和高能量效率，然而它们受到易燃有机电解质和电极材料高反应性的潜在安全问题的困扰，相对较高的成本也限制了它们在大规模储能中的应用。虽然铅酸电池节省低，但它们的循环性和速率性能较差。因此，水系可充电碱金属离子(Li+，Na+，K+)电池以其安全性高、成本低、离子电导率高、环境友好等优点成为大规模储能的替代方案。混合离子电池可以将两种电极材料各自的优点与不同的电化学性质结合起来。众所周知，钾的标准平衡电位(EK+/K＝-2.925V)比钠的标准平衡电位(ENa+/Na＝-2.714V)低，说明钾离子电池的能量密度比钠离子电池高。此外，锌兼具低的氧化还原电位和高的比能量密度，而且水化钾离子的斯托克斯半径比水化钠离子的斯托克斯半径小，使水系钾-锌混合离子电池具有更高的倍率性能和能量/功率密度。因此，研究和开发基于正极材料KZnHCF和负极锌组成的K-Zn混合离子水系可充电电池是推动大规模能量存储快速发展和广泛应用的关键。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有的技术问题设计了一种高倍率、长寿命和高能量/功率密度K-Zn混合离子水系可充电电池，材料制备工艺简单，成本低，并符合绿色化学要求，所设计的KZnHCF//Zn水系可充电电池，展现出了优异的电化学性能。本专利技术针对上述技术问题采用的技术方案为：一种K-Zn混合离子水系可充电电池，由正极活性材料、负极活性材料、以及介于两者之间的隔膜和离子导电性的混合离子电解液组成；所述的正极活性材料为KZnHCF电极材料，所述的离子导电性的混合离子电解液是钾的可溶盐和锌的可溶盐为溶质、水为溶剂，钾的可溶盐的浓度为0.1-30.0molkg-1，锌的可溶盐的浓度为0.1-30.0molkg-1，其是具有离子导电性的液态或凝胶态材料。按上述方案：所述的正极活性材料KZnHCF的分子式为KxZny[Fe(CN)6]z·nH2O，其中，0<x<20，0<y<20，0<z<20，0<n<20，所述的KZnHCF为不规则多边形颗粒，尺寸大小为5nm-100um。按上述方案，所述的KZnHCF颗粒的制备方法，包括以下步骤：1)配置溶液：锌可溶盐的均匀溶液A，亚铁氰化盐和钾可溶盐的均匀溶液B，所述的均匀溶液A中的锌可溶盐的浓度为0.1mM-20.0M，均匀溶液B中的亚铁氰化盐的浓度为0.1mM-20.0M，钾可溶盐的浓度均0.1mM-30.0M；2)然后将步骤1)均匀溶液A逐滴加入到均匀溶液B中且在恒温条件下不断搅拌反应；3)将步骤2)得到的反应结束后的溶液静置陈化，取沉淀物并洗涤干燥即得。按上述方案，其特征在于步骤2)所述的反应温度为0-100℃，搅拌时间为10分钟-96小时。按上述方案：所述的负极活性材料采用金属锌片、锌箔、锌粉或锌碳复合物。按上述方案：所述的锌的可溶性盐为三氟甲烷磺酸锌、高氯酸锌或硫酸锌，所述的钾的可溶性盐为三氟甲烷磺酸钾、高氯酸钾、硫酸钾、硝酸钾或氯化钾。按上述方案，所述的亚铁氰化盐为亚铁氰化钾或/和亚铁氰化钠。本专利技术的正极片可以采用如下制备方案：将得到的KZnHCF正极材料与导电剂、粘结剂混合研磨均匀，在对辊机上滚压成片，烘干后用压片机制成直径1cm的电极片，真空烘干制得电极片，然后将电极片在对辊机上滚压到集流体上。所述集流体包括碳布、泡沫镍、不锈钢箔/网、铜箔/网、铝箔/网、钼箔/网和钛箔/网；所述导电剂包括活性炭、炭纤维、乙炔黑、科琴黑、石墨炭纳米管；所述粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)或羧甲基纤维素钠(CMC)；本专利技术的负极片可以采用如下制备方案：其中金属锌片用砂纸打磨，用酒精和丙酮清洗几遍，直接作为负极片；采用锌粉时，将锌粉与导电剂、粘结剂混合研磨均匀，在对辊机上滚压成片，烘干后用压片机制成直径1cm的电极片，真空烘干制得电极片，然后将电极片在对辊机上滚压到集流体上。本专利技术首次专利技术了基于六氰亚铁酸锌钾(KZnHCF)KxZny[Fe(CN)6]z·nH2O正极材料和锌负极的K-Zn混合离子可充电电池。KZnHCF正极中主要是K离子的可逆嵌入/脱出，锌负极主要进行可逆的沉积溶解反应：即在放电时，KZnHCF正极中主要是发生K离子的嵌入反应，而同时锌负极主要进行的沉积反应—Zn2+离子被还原成Zn单质金属；在充电时，KZnHCF正极中主要是发生K+离子的脱出反应，而同时锌负极主要进行的是Zn单质金属溶解反应生成Zn2+离子。这种K-Zn混合离子可充电电池具有安全环保，成本低，能量/功率密度高，循环性好的特点。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过共沉淀法得到的KZnHCF材料作为正极材料时，在3.0mKCF3SO3+2.0mZn(CF3SO3)2电解液及倍率测试中，KZnHCF材料在1.0Ag-1倍率下，放电容量为70.0mAhg-1，在20Ag-1电流下，放电容量为46.6mAhg-1，相对应的倍率容量保持率达到了66.6％。KZnHCF正极和锌箔负极组成的纽扣式全电池，在5.0Ag-1电流密度下，放电容量66.8mAhg-1，2000次循环后，容量保持～89.0％，库伦效率高于97％；在倍率性能测试中，从1.0Ag-1到2.0,3.0,5.0,7.0,10，7.0，5.0，3.0，2.0，1.0Ag-1电流密度下,相对应的放电容量为68.1mAhg-1，65.2mAhg-1，63.8mAhg-1，62.0mAhg-1，60.3mAhg-1，58.2mAhg-1，60.1mAhg-1，61.4mAhg-1，63.4mAhg-1，64.5mAhg-1和66.1mAhg-1，倍率容量保持率和回复率分别为85.5％和97.1％；从1.0Ag-1到2.0,3.0,5.0,7.0和10Ag-1电流密度下，纽扣式全电池的放电平台分别为1.82V,1.80V,1.79V,1.78V,1.76V和1.74V，按活性物质质量～2.17:1计算，所得到的最高质量能量密度和功率密度分别为79.6Whkg-1和11.5kWkg-1。组装的KZnHCF//Zn软包电池可以稳定释放0.225mAhcm-2的容量密度，两个串联起来可以点亮一条灯带(包括60个红色LED灯和42个绿色LED灯)超过20秒。K-Zn混合离子水系可充电电池是一种电池，KZnHCF正极材料和锌负极组成的K-Zn混合离子水系可充电电池具有高倍率性能和能量/功率密度，是一种潜在的大规模储能应用体系。附图说明图1为本专利技术实例1中KZnHCF本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种K-Zn混合离子水系可充电电池，由正极活性材料、负极活性材料、以及介于两者之间的隔膜和离子导电性的混合离子电解液组成；所述的正极活性材料为KZnHCF电极材料，所述的离子导电性的混合离子电解液是钾的可溶盐和锌的可溶盐为溶质、水为溶剂，钾的可溶盐的浓度为0.1-30.0molkg

【技术特征摘要】
1.一种K-Zn混合离子水系可充电电池，由正极活性材料、负极活性材料、以及介于两者之间的隔膜和离子导电性的混合离子电解液组成；所述的正极活性材料为KZnHCF电极材料，所述的离子导电性的混合离子电解液是钾的可溶盐和锌的可溶盐为溶质、水为溶剂，钾的可溶盐的浓度为0.1-30.0molkg-1，锌的可溶盐的浓度为0.1-30.0molkg-1，其是具有离子导电性的液态或凝胶态材料。


2.根据权利要求1所述的K-Zn混合离子水系可充电电池，其特征在于：所述的正极活性材料KZnHCF的分子式为KxZny[Fe(CN)6]z●nH2O，其中，0<x<20，0<y<20，0<z<20，0<n<20，所述的KZnHCF为不规则多边形颗粒，尺寸大小为5nm-100um。


3.根据权利要求2所述的K-Zn混合离子水系可充电电池，其特征在于所述的正极活性材料KZnHCF的制备方法，包括以下步骤：
1)配置溶液：锌可溶盐的均匀溶液A，亚铁氰化盐和钾可溶盐的均匀溶液B，所述的均匀溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦立强，黄孟，安琴友，刘熊，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42