一种用于超氧化物金属空气电池的混合有机电解液制造技术

本发明专利技术公开了一种用于超氧化物金属空气电池的混合有机电解液，其包括高供体数有机溶剂二甲基亚砜、低供体数有机溶剂链状醚以及盐。本发明专利技术通过将高低供体数有机溶剂进行混合，使得溶剂化结构发生重组，对于电池正极有着显著的提升作用，提高了电池的容量、降低了电池反应的过电势，并提升了电池的循环效率与循环圈数，同时本发明专利技术的方案简单易行，适于工业化生产，在大规模储能领域具有潜在应用前景。景。

【技术实现步骤摘要】
一种用于超氧化物金属空气电池的混合有机电解液


[0001]本专利技术涉及超氧化物金属空气电池
，具体涉及一种用于超氧化物金属空气电池的混合有机电解液。

技术介绍

[0002]金属空气电池根据反应产物的不同，包括以过氧化锂为反应产物的锂氧电池，和以超氧化物为反应产物的钠氧电池(NOB)以及钾氧电池(KOB)。
[0003]基于双电子反应
‑
以过氧化锂为反应产物的锂金属氧气电池由于极高的能量密度(3505Wh/Kg)而受到广泛的研究。然而锂氧电池在发展的过程中，其正极反应过程中依旧存在严重的问题：放电时氧还原反应(ORR)生成的产物过氧化锂(Li2O2)因氧化分解成氧气(OER)的过程迟缓，通常需要施加较高的充电电压(>4V)，从而引发碳正极、电解液的副反应，对多孔正极造成堵塞，影响后续反应位点；同时Li2O2较差的导电性会钝化正极表面，从而导致电池循环效率、容量以及倍率性能较差。因此，基于单电子反应
‑
以超氧化物为反应产物的氧气电池由于较好的可逆性与循环性能被人们所关注与研究。
[0004]钠氧电池(NOB)以及钾氧电池(KOB)由于反应产物为超氧化物而具有高的可逆性，同时因其在自然界中的高丰度特性而被关注与研究，作为一个涉及固液气三相反应的过程，合理准确的认识液相的作用机理是至关重要的，这是因为超氧化物本征的导电性较差，最大限度利用其高的能量密度需要将其作用过程尽可能控制在溶液相生长，避免表面生长时电极的提前钝化，延长电池的使用容量与使用寿命。所以合理设计电解液，为NOB、KOB可以大规模应用于储能系统提供了希望。
[0005]为了合理准确认识溶液相过程，以高供体数有机溶剂、低供体数有机溶剂配制成的常规浓度的单一电解液作用机理被研究。高供体数有机溶剂具有较高的中间产物溶解度以及快速的反应动力学，可以更好的带来溶液相生长，却由于氧的扩散速率、高的脱溶剂化能而造成低的放电容量。而低供体数有机溶剂较易脱溶剂化、具有较好的氧扩散，却由于低的中间产物溶解度导致较低的容量以及较低的循环效率。

技术实现思路

[0006]针对单一溶剂制成的电解液所面临的问题，本专利技术提供一种用于超氧化物金属空气电池的混合有机电解液，旨在通过高供体数有机溶剂和低供体数有机溶剂的协同，使二者优势互补，提高超氧化物金属空气电池的性能。
[0007]本专利技术为实现目的，采用如下技术方案：
[0008]本专利技术首先提供一种用于超氧化物金属空气电池的混合有机电解液，其特点在于：包括高供体数有机溶剂二甲基亚砜(DMSO)、低供体数有机溶剂以及盐；所述的低供体数有机溶剂为链状醚，其结构通式为有且仅有官能团醚键，结构为链状。
[0009]进一步地，所述低供体数有机溶剂为乙二醇二甲醚(DME)、二乙二醇二甲醚(G2)、三乙二醇二甲醚(G3)和四乙二醇二甲醚(G4)中的至少一种。
[0010]进一步地，在所述混合有机电解液中，低供体数有机溶剂与高供体数有机溶剂的体积比为10
‑
x：x，0＜x＜10。
[0011]进一步地，在所述混合有机电解液中盐的浓度为0.5～1.5mol/L。
[0012]进一步地，当所述超氧化物金属空气电池为钠氧电池时，在所述混合有机电解液中的盐为钠盐；当所述超氧化物金属空气电池为钾氧电池时，在所述混合有机电解液中的盐为钾盐。所述钠盐包括但不限于NaClO4、NaPF6、NaCF3SO3和NaN(CF3SO2)2中的至少一种；所述钾盐包括但不限于KClO4、KPF6、KCF3SO3和KN(CF3SO2)2中的至少一种。
[0013]本专利技术还提供了一种超氧化物金属空气电池，其采用上述的混合有机电解液。
[0014]与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：
[0015]1、本专利技术通过将高低供体数有机溶剂进行混合，使得溶剂化结构发生重组，高供体数溶剂与阳离子配位，得以实现快速反应动力学，降低反应过电势。同时低供体数有机溶剂的加入解决了阳离子在高供体数有机溶剂中脱溶剂化较困难的问题，进一步提升电池的放电容量，充分发挥高供体数溶剂溶液相生长的优势，大幅提高电池的电化学性能。
[0016]2、本专利技术将低供体数有机溶剂链状醚加入到高供体数有机溶剂(DMSO)中配成电解液，对于电池正极有着显著的提升作用，提高了电池的容量、降低电池反应的过电势，并提升了电池的循环效率与循环圈数。
[0017]3、本专利技术的方案简单易行，适于工业化生产，在大规模储能领域具有潜在应用前景。
附图说明
[0018]图1是实施例1中电解液对KOB电池正极反应过电势与最大放电容量的影响；
[0019]图2是实施例2中电解液对NOB电池正极反应过电势与最大放电容量的影响；
[0020]图3、图4是实施例3中电解液在正极反应过程中不同倍率放电容量；
[0021]图5是实施例4中电解液在正极反应过程中的库伦效率对比。
具体实施方式
[0022]下面结合实施例对本专利技术作详细说明，下述实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0023]实施例1、用于钾氧电池的混合有机电解液
[0024]本实施例以DMSO为高供体数有机溶剂、以乙二醇二甲醚(DME)为低供体数有机溶剂、并加入双(三氟甲烷磺酰)亚胺钾[KN(CF3SO2)2]，配置电解液。其中，双(三氟甲烷磺酰)亚胺钾的浓度为0.5mol/L。
[0025]调控DME与DMSO的体积比为10:0、9:1、8:2、7:3、6:4、5:5、3:7、0:10，获得不同的电解液样品。
[0026]以碳纸作为正极、以电化学制备的KO2钾源作为参比电极和对电极，分别加入上述制备的各电解液样品，进行KOB电池正极反应过电势与最大放电容量的测试，放电至
‑
1V，测试电流0.25mAcm
‑2。结果如图1所示。
[0027]从图1可以看出：混合溶剂电解液相比于单一溶剂电解液DME来说，其过电势随着
DMSO含量的增加而降低，并且在8:2时后逐渐稳定，从110mV的过电势降低到50mV左右；混合溶剂电解液相比于单一溶剂电解液DMSO来说，电池的最大放电容量都得到明显提升，混合电解液的总体变化规律为随着DMSO含量的升高过电势逐渐减少至50mV左右后稳定不变，最大放电容量呈现先增加后降低的趋势，并且在6:4比例的条件下达到最大放电容量，6:4条件下相比于单一溶剂电解液提升了约2倍(相较于DME)或者约3倍(相较于DMSO)。
[0028]实施例2、用于钠氧电池的混合有机电解液
[0029]本实施例以DMSO为高供体数有机溶剂、以乙二醇二甲醚(DME)为低供体数有机溶剂、并加入双(三氟甲烷磺酰)亚胺钠[NaN(CF3SO2)2]，配置电解液。其中，双(三氟甲烷磺酰)亚胺钠的浓度为0.5mol/L。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于超氧化物金属空气电池的混合有机电解液，其特征在于：包括高供体数有机溶剂、低供体数有机溶剂以及盐。2.根据权利要求1所述的混合有机电解液，其特征在于：所述的高供体数有机溶剂为二甲基亚砜；所述的低供体数有机溶剂为链状醚，其结构通式为有且仅有官能团醚键，结构为链状。3.根据权利要求2所述的混合有机电解液，其特征在于：所述低供体数有机溶剂为乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚和四乙二醇二甲醚中的至少一种。4.根据权利要求1或2所述的混合有机电解液，其特征在于：在所述混合有机电解液中，低供体数有机溶剂与高供体数有机溶剂的体积比为10
‑
x：x，0＜x＜10。5.根据权利要求1或2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：任晓迪，邱呈雨，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：