一种耐低温水系锌离子电池及其制备方法技术

本发明专利技术属于水系锌离子电池技术领域，公开了一种耐低温水系锌离子电池及其制备方法，通过构建具有优异锌离子存储性能及离子扩散动力学的单一或复合正极材料，以及设计以多种阳离子和阴离子共同组合调控的复合水溶液体系为电解液，配合锌金属作为负极构建的极低温扣式、软包或圆柱锌离子电池。本发明专利技术通过对耐低温电解液的多种盐溶质与纯水溶剂的相互作用和氢键网络分布情况进行设计与调控，匹配低温环境下离子动力学良好的储锌正极材料，构建能够在极低温度下(

【技术实现步骤摘要】
一种耐低温水系锌离子电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于水系锌离子电池
，特别涉及一种耐低温水系锌离子电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]水系锌离子电池由于其绿色环保，安全可靠，价格低廉等优势在各种新型储能体系中脱颖而出。可再生能源(如太阳能、风能)具有很强的地理分布和环境差异性(如温度的显著区别)，因此如何高效储存这些能量成为一个棘手问题。在低温环境中，水系电解液易发生冻结而导致离子电导率和界面浸润性变差，进而急剧恶化水系锌离子电池的电化学性能。因此，抑制水系电解液冻结是改善水系锌离子电池低温失效的有效途径。目前，构建用于极低温环境(如极地，太空)的水系锌离子电池仍然面临重大挑战。已有的报导大多是通过制备高浓度电解液，水凝胶，添加有机溶剂等策略来改善(Nat.Commun.2020,11,4463；Adv.Funct.Mater.2020,30,1907218；Small 2021,17,2103195)。但这些方法具有成本较高，制备困难，环境污染大等缺点，因此很难满足实际应用的需求。

技术实现思路

[0003]为了克服上述低温水系锌离子电池的缺点及不足，本专利技术的首要目的在于提供一种低成本、制备简易且具有超低温耐受性及低温下高离子电导率的水系锌离子电池的制备方法，并有效应用于各种极端环境场景。
[0004]本专利技术的目的通过下述方案实现：
[0005]一种耐低温水系锌离子电池，包括正极、负极和耐低温电解液；
[0006]所述耐低温电解液中的电解质包括阳离子和阴离子，其中阳离子为Zn
2+
、稀土元素阳离子和碱金属阳离子中的至少一种且一定含有Zn
2+
；所述阴离子为卤素酸根、卤素阴离子。
[0007]优选地，所述稀土元素阳离子为La
3+
，Ce
3+
等的中的至少一种；所述碱金属元素阳离子为Li
+
、Na
+
、K
+
、Rb
+
、Cs
+
，Mg
2+
、Ca
2+
和Al
3+
中的至少一种。
[0008]优选地，所述阴离子还包括乙酸根(CH3COO
‑
)、硝酸根(NO3‑
)、三氟甲基磺酸根(CF3SO3‑
)、四氟硼酸根(BF4‑
)和双三氟甲磺酰亚胺根(TFSI
‑
)等阴离子中的至少一种；
[0009]更优选地，所述阴离子为卤素酸根、卤素阴离子和乙酸根的组合，或卤素酸根、卤素阴离子和硝酸根的组合，或卤素酸根、卤素阴离子和四氟硼酸根的组合。
[0010]优选地，所述卤素酸根为ClO4‑
，BrO3‑
和IO3‑
中的至少一种。所述卤素阴离子为F
‑
、Cl
‑
、Br
‑
和I
‑
等阴离子中的至少一种。
[0011]所述阳离子的浓度为5～12M，其中Zn
2+
的浓度为4
‑
8M；
[0012]优选地，当阴离子为卤素酸根、卤素阴离子和乙酸根的组合时，卤素酸根的浓度为2～12M，卤素阴离子的浓度为2～8M，乙酸根的浓度为0.5～2M；当阴离子为卤素酸根、卤素阴离子和硝酸根的组合时，卤素阴离子的浓度为2～8M，卤素阴离子的浓度为4～8M，硝酸根
的浓度为1～4M；当阴离子为卤素酸根、卤素阴离子和四氟硼酸根的组合时，卤素酸根的浓度为2～12M，卤素阴离子的浓度为2～8M，四氟硼酸根的浓度为0.5～1M。当阴离子为卤素酸根、卤素阴离子、乙酸根和的四氟硼酸根组合时，卤素酸根的浓度为5～10M，卤素阴离子的浓度为4～8M，乙酸根的浓度为0.2～0.8M，四氟硼酸根的浓度为0.2～0.8M；当阴离子为卤素酸根、卤素阴离子、硝酸根和的四氟硼酸根组合时，卤素酸根的浓度为5～10M，卤素阴离子的浓度为4～8M，硝酸根的浓度为0.8～1.2M，四氟硼酸根的浓度为0.8～1.2M。
[0013]所述正极的制备方法为将导电聚合物、配位化合物、锰基化合物和钒基化合物中的至少一种负载于基体上。
[0014]优选地，所述正极具有多孔、缺陷或离子预嵌入结构；
[0015]优选地，所述导电聚合物为聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)和聚噻吩(PEDOT)中的至少一种；所述配位化合物为普鲁士蓝(PB)及其类似物(PBA)以及导电MOF中的至少一种，更优选地，所述普鲁士蓝类似物为钴PBA、锰PBA、铁钴PBA、铁锌PBA、铁铜PBA和铁镍PBA等中的至少一种，所述导电MOF为Ni
‑
CAT，Co
‑
CAT等中的至少一种；所述锰基化合物为二氧化锰、三氧化二锰、四氧化三锰、锰酸锌、锰酸镁、锰酸锂和锰酸钠等中的至少一种；所述钒基化合物为二氧化钒、五氧化二钒、十二氧化五钒、十三氧化六钒、钒酸锌、钒酸锂、钒酸钠、钒酸镁、钒酸钙、钒酸铵、钒酸钾、碱式钒酸锌、磷酸钒钠、磷酸钒锂和偏氟磷酸钒钠中的至少一种。
[0016]优选地，所述基体为钛箔、不锈钢箔、碳纸或碳布。
[0017]优选地，所述导电聚合物、配位化合物、锰基化合物和钒基化合物中的至少一种在基体上的负载量为2
‑
20mg cm
‑2，电极厚度在0.1
‑
2.0mm之间，振实密度0.5
‑
3g/cm3[0018]优选地，所述负载方法包括原位聚合、电化学沉积或水热合成。
[0019]更优选地，所述正极的制备方法为通过氧化聚合的方法在碳纸上制备导电聚合物；或采用PVDF或PTFE作为粘结剂，炭黑或Super P作为导电剂，正极活性材料与粘结剂、导电剂的质量比例为(7～8):(1～2):1，采用NMP作为溶剂均匀研磨成浆料，并用1
‑
10m/min的速度进行刮涂，正极可以根据需要裁剪成圆形、长方形及各种所需形状。正极活性材料为导电聚合物、配位化合物、锰基化合物和钒基化合物中的至少一种。
[0020]所述负极为高纯锌箔，或通过在常用基底包括钛箔、不锈钢箔、碳纸、碳布等基材上通过阳极沉积或刷涂锌浆料的方法获得。
[0021]一种制备耐低温水系锌离子电池的方法，包括以下步骤：将上述制备的正极、耐低温电解液及阴极组装成水系锌离子电池。
[0022]优选地，所述方法具体为以玻璃纤维作为隔膜，采用标准纽扣外壳以60
‑
80MPa的压力封装成纽扣电池，耐低温电解液添加量为50
‑
100μL；以交替卷绕电极的方式封装圆柱状电池，耐低温电解液添加量为2
‑
3mL；采用铝塑膜对50
‑
200层的活性电极进行封装形成软包电池，耐低温电解液添加量为1
‑
2mL。
[0023]所述耐低温水系锌离子电池能在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐低温水系锌离子电池，其特征在于包括正极、负极和耐低温电解液；所述耐低温电解液中的电解质包括阳离子和阴离子，其中阳离子为Zn
2+
、稀土元素阳离子和碱金属阳离子中的至少一种且一定含有Zn
2+
；所述阴离子为卤素酸根、卤素阴离子。2.根据权利要求1所述的耐低温水系锌离子电池，其特征在于：所述稀土元素阳离子为La
3+
，Ce
3+
等的中的至少一种；所述碱金属元素阳离子为Li
+
、Na
+
、K
+
、Rb
+
、Cs
+
，Mg
2+
、Ca
2+
、Al
3+
中的至少一种。3.根据权利要求1所述的耐低温水系锌离子电池，其特征在于：所述阴离子还包括乙酸根、硝酸根、三氟甲基磺酸根、四氟硼酸根和双三氟甲磺酰亚胺根阴离子中的至少一种。4.根据权利要求1所述的耐低温水系锌离子电池，其特征在于：所述卤素酸根为ClO4‑
、BrO3‑
和IO3‑
中的至少一种；所述卤素阴离子为F
‑
、Cl
‑
、Br
‑
和I
‑
中的至少一种。5.根据权利要求3所述的耐低温水系锌离子电池，其特征在于：所述阳离子的浓度为5～12M，其中Zn
2+
的浓度为4
‑
8M；当阴离子为卤素酸根、卤素阴离子和乙酸根的组合时，卤素酸根的浓度为2～12M，卤素阴离子的浓度为2～8M，乙酸根的浓度为0.5～2M；当阴离子为卤素酸根、卤素阴离子和硝酸根的组合时，卤素阴离子的浓度为2～8M，卤素阴离子的浓度为4～8M，硝酸根的浓度为1～4M；当阴离子为卤素酸根、卤素阴离子和四氟硼酸根的组合时，卤素酸根的浓度为2～12M，卤素阴离子的浓度为2～8M，四氟硼酸根的浓度为0.5～1M；当阴离子为卤素酸根、卤素阴离子、乙酸根和的四氟硼酸根组合时，卤素酸根的浓度为5～10M，卤素阴离子的浓度为4～8M，乙酸根的浓度为0.2～0.8M，四氟硼酸根的浓度为0.2～0.8M；当阴离子为卤素酸根、卤素阴离子、硝酸根和的四氟硼酸根组...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦文杰，邱美佳，孙鹏，黎晋良，韩凯，王中林，
申请(专利权)人：麦文杰，
类型：发明
国别省市：