一种基于多电子转换反应的水系锌-双卤素电池及其电解液制造技术

本发明专利技术属于储能器件技术领域，涉及一种多电子转换反应的水系锌

【技术实现步骤摘要】
一种基于多电子转换反应的水系锌
‑
双卤素电池及其电解液


[0001]本专利技术属于储能器件
，涉及一种多电子转换反应的水系锌
‑
双卤素电池及其电解液。

技术介绍

[0002]目前已经开发的电池，例如铅酸蓄电池、镍
‑
氢电池、液流电池、燃料电池、金属空气电池以及锂电池已经得到了广泛的研究应用。锂离子电池由于较高的能量密度，良好的循环性能，在移动电子设备和电动汽车等领域占据了主导地位，被认为是相对成熟的技术。但是锂电池仍存在很多问题，一方面是锂金属在自然界中相对稀缺(占地壳重量的0.0065％)；另一方面是绝大多数锂离子电池使用有毒且高度易燃的有机电解液，有机电解液泄露容易导致一系列安全事故的发生，而且锂离子电池的生产条件相对严苛，需要严格的干燥环境或手套箱等仪器设备。因此，严重的安全隐患和高昂的成本限制了锂电池技术的进一步发展。因此，开发安全无毒、低成本、高性能的电池显得至关重要。以水系电解液代替有机系电解液能够杜绝易燃易爆的问题，从根本上解决电池的安全问题，并且水系电解液与有机电解液相比，具有低粘度、高离子电导率(水系电解液:1S cm
‑1，有机电解液:1～10ms cm
‑1)和低成本的优势，能够显著提升电池体系中离子的动力学性能。不仅如此，水系可充电电池的组装条件较为简单，具有更高的经济效益。由于低成本、环境友好等优势，水系锌离子电池具有广阔的发展前景。但是，目前所开发的水系锌离子电池中常用的正极材料(如锰基材料、钒基材料、普鲁士蓝及其衍生物)电化学性能较差、易生成副产物、以及库伦效率低等缺陷，阻碍了水系锌离子电池的发展。
[0003]近年来，锌
‑
卤素电池受到了广泛的关注与研究。卤素离子(Cl
‑
,Br
‑
,I
‑
)具有储量丰富，低成本的优势，在水系电池中使用卤素元素能够提供较好的电化学性能。但是氯的氧化还原电位(1.35V，相对于标准氢电极)高于水的分解电位，在水系电解液中不易发生氧化还原反应。溴(1.06V，相对于标准氢电极)和碘(0.53V，相对于标准氢电极)的电极电位小于水的分解电位，因此能够在水系电池中发生可逆转化。与基于离子嵌入方式储能的金属氧化物正极不同的是，水系锌
‑
卤素电池是基于卤素离子的氧化还原(如等)为电池体系提供容量。传统的锌
‑
卤素电池普遍采用单一卤素元素，例如，Keval K.Sonigara等人制备了Zn
‑
I2电池(Self
‑
Assembled Solid
‑
State Gel Catholyte Combating Iodide Diffusion and Self
‑
Discharge for a Stable Flexible Aqueous Zn
–
I
2 Battery)；冯玉等人制备了Zn
‑
Br2电池(Aqueous alkaline
–
acid hybrid electrolyte for zinc
‑
bromine battery with 3V voltagewindow)。这些基于两电子转换的Zn
‑
I2、Zn
‑
Br2电池分别能够提供211mAh g
‑1、355mAh g
‑1的理论容量。2021年，湖南大学的梁宵等人提出基于I
‑
/I0/I
+
四电子转换的水系锌
‑
碘电池，使得电池的容量和能量密度大大提高(A four
‑
electron Zn
‑
I2aqueous battery enabled byreversible I
‑
/I2/I
+
conversion)。然而，这类基于单一卤素氧化还原的水系锌离子电池的能量密度亟待提高。通过在水系锌离子电池中同时使用两种卤素元素，能够进一步提高电池体系的能量密度。南开大学的刘鸿文等人
报告了一种使用熔融水合物电解质的锌
‑
双卤素电池，采用双卤素氧化还原对(Br0/Br
‑
和Cl0/Cl
‑
)将平均放电电压从1.60V(仅Br0/Br
‑
)提高到1.71V，将容量从78mAh g
‑1提高至257mAh g
‑1，推进了锌
‑
双卤素电池领域的发展，但是其容量仍难以满足实际需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点，针对传统的锌
‑
卤素电池容量低等问题，突破单一卤素的电子转换机制，设计提供了一种全新的基于I
‑
/I0/I
+
氧化还原和Br
‑
/Br0氧化还原相结合的多电子转换反应机制的水系锌
‑
双卤素电池以及基于I
‑
/I0/I
+
四电子转换和Br
‑
/Br0转换相结合的多电子转换反应机制的水系锌
‑
双卤素电池的电解液。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所述基于多电子转换的水系锌
‑
双卤素电池电解液为含有锌离子、卤素离子和电解液添加剂的水系电解液，其中锌离子和卤素离子的总摩尔浓度为6～10M，优选为6.5～10M，卤素离子与锌离子的摩尔比为1.16～1.5：1，电解液添加剂的摩尔浓度为0.1～0.5M，优选为0.05～0.3M。
[0006]作为本专利技术的优选技术方案，所述锌离子的浓度为3～10M。
[0007]作为本专利技术的优选技术方案，所述卤素离子的浓度为3～15M。
[0008]作为本专利技术的优选技术方案，所述锌离子由在常温下溶解度高于3M的水溶性锌离子源电离提供，优选的，锌离子源为氯化锌、硝酸锌、硫酸锌、醋酸锌、双三氟甲磺酰亚胺锌、三氟甲基磺酸锌及其水合物中的一种或几种。
[0009]作为本专利技术的优选技术方案，所述卤素离子为Br
‑
，Br
‑
由能在水中电离出Br
‑
的水溶性溴离子源电离提供，水溶性溴离子源为在常温下水中溶解度高于3M的水溶性盐，优选为溴化锂、溴化锌、溴化钾、溴化钠中的一种或几种。
[0010]作为本专利技术的优选技术方案，所述电解液添加剂由能够在水中电离出NO3‑
的水溶性硝酸根离子源提供；优选的，水溶性硝酸根离子源为硝酸锂、硝酸钾、硝酸钠、硝酸钙、硝酸镁中的至少一种。
[0011]本专利技术中所述电解液除含有锌离子、卤素离子以及电解液添加剂以外，还能含有提供锌离子而引入的除卤素离子以外的其他阴离子以及提供卤素离子而引入的除锌离子以外的其他阳离子，其中阴离子包括硫酸根离本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多电子转换反应的水系锌
‑
双卤素电池电解液，其特征在于，所述电解液为含有锌离子、卤素离子和电解液添加剂的水系电解液，其中锌离子和卤素离子的总摩尔浓度为6～10M，卤素离子与锌离子的摩尔比为1.16～1.5：1，电解液添加剂的摩尔浓度为0.1～0.5M。2.根据权利要求1所述多电子转换反应的水系锌
‑
双卤素电池电解液，其特征在于，所述锌离子由在常温下溶解度高于3M的水溶性锌离子源电离提供，锌离子源为氯化锌、硝酸锌、硫酸锌、醋酸锌、双三氟甲磺酰亚胺锌、三氟甲基磺酸锌及其水合物中的一种或几种。3.根据权利要求1所述多电子转换反应的水系锌
‑
双卤素电池电解液，其特征在于，所述卤素离子为Br
‑
，Br
‑
由能在水中电离出Br
‑
的水溶性溴离子源电离提供，水溶性溴离子源为在常温下水中溶解度高于3M的水溶性盐，为溴化锂、溴化锌、溴化钾、溴化钠中的一种或几种。4.根据权利要求1所述多电子转换反应的水系锌
‑
双卤素电池电解液，其特征在于，所述电解液添加剂由能够在水中电离出NO3‑
的水溶性硝酸根离子源提供，水溶性硝酸根离子源为硝酸锂、硝酸钾、硝酸钠、硝酸钙、硝酸镁中的至少一种。5.根据权利要求1所述多电子转换反应的水系锌
‑
双卤素电池电解液，其特征在于，所述电解液还能添加为提供锌离子而引入的除卤素离子以外的其他阴离子以及为提供卤素离子而引入的除锌离子以外的其他阳离子，其中其他阴离子包括硫酸根离子和三氟甲烷磺酸根离子，其他阳离子包括锂离子、钾离子、钠离子、钙离子、镁离子和铝离子。6.一种采用如权利要求1所述电解液的水系锌
‑
双卤素电池，其特征在于，所述电池由正极、电解液和负极采...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐啸，刘晓敏，吕书瑶，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：