CN115548471A - 一种具有宽电位窗口的水系锌碳双离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有宽电位窗口的水系锌碳双离子电池，涉及水系电池技术领域，包括：正极、负极和水系电解液，所述正极采用具有嵌入脱出储能机制的石墨纸作为一体化电极材料，所述负极采用金属Zn片作为一体化电极材料，所述水系电解液包括正极电解液和负极电解液，所述正极电解液采用NaClO4和HClO4的混合液体，所述负极电解液采用NaClO4和Zn(CF3SO3)2的混合液体；所述正极与负极之间设置有隔膜，所述隔膜为阴离子交换膜；解决了单一电解液电位窗口低的问题，采用多种电解液共同构筑具有超宽电位窗口的电解液，并且利用具有较高反应电位的石墨材料作为正极材料，有效提高了电池的比电容，匹配锌材料制成的负极，共同构筑一个具有较高能量密度的双离子电池。
Description
技术领域
本发明涉及水系电池技术领域，具体是一种具有宽电位窗口的水系锌碳双离子电池。
背景技术
水系电池是使用水作为介质的水系无机电池，水系电池相对于有机电池而言具有成本低，安全性高，安装简单等优势，成为大力发展的下一代储能器件。水用作主要的溶剂，然而水的分解电压为1.23V，超过此电压则在阳极发生析氢反应，阴极发生析氧反应，因此电池的电压被限制在析氢和析氧电位之间，这不仅极大地限制了电池的能量密度，同时对于电池电极材料的选择也造成了一定的限制，因此有效拓宽水系电池电解液稳定存在的电位窗口是推进水系电池广泛应用的有效途径之一。
目前提高水系电池电解液的电位窗口的方法包括使用具有超高浓度(溶质体积远大于溶剂体积)的盐溶液作为电解液，或者采用添加剂或者添加其他溶剂的方法，或者通过构筑具有抑制析氢和析氧反应的阳极和阴极材料的方法，利用材料本身抑制析氢和析氧反应，使整个体系具有较宽的反应电位窗口。
现有的技术中，采用高浓度盐溶液作为电解液，只有极少数的盐可以达到超高浓度，增加了电池的成本，不利于广泛的应用；添加剂的加入也有一定的局限性，只有特定的材料与特定的添加剂匹配才能达到效果，没有一定的普适性；通过设计新型电极材料抑制析氢和析氧反应也是有效的方法，但存在周期长，只有特定结构或者特定材料才能达到效果，对于电极材料的选择有一定的限制。因此需要研究一种低成本、操作简单、具有普适性的电化学电池，满足水系电池中，宽电位窗口、高能量密度的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有宽电位窗口的水系锌碳双离子电池，以解决现有的水系电池电位窗口低的问题，并且该方法具有一定的普适性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有宽电位窗口的水系锌碳双离子电池，包括：正极、负极和水系电解液，所述正极采用具有嵌入脱出储能机制的石墨纸作为一体化电极材料，所述负极采用金属Zn片作为一体化电极材料，所述水系电解液包括正极电解液和负极电解液，所述正极电解液采用NaClO4和HClO4的混合液体，所述负极电解液采用NaClO4和Zn(CF3SO3)2的混合液体。
在上述技术方案的基础上，本发明还提供以下可选技术方案：
在一种可选方案中：所述正极与负极之间设置有隔膜，所述隔膜为阴离子交换膜，能够防止正负极电解液相互接触。
在一种可选方案中：所述正极电解液由17M NaClO4加入HClO4制成，所述HClO4的体积分数为30％，充电时，ClO4-从电解液中嵌入石墨层间并形成石墨层间化合物，放电时，ClO4-从石墨层间脱出回到电解液中。
在一种可选方案中：所述负极电解液由17M NaClO4和2M Zn(CF3SO3)2混合制成，充电时，电解液中的Zn离子沉积到负极Zn片上，放电时，Zn片上的Zn离子重新回到电解液中。
相较于现有技术，本发明的有益效果如下：
水系锌碳双离子电池解决了单一电解液电位窗口低的问题，采用多种电解液(酸性，中性，碱性)共同构筑具有超宽电位窗口的电解液，并且利用具有较高反应电位的石墨材料作为正极材料，有效提高了电池的比电容，匹配锌片负极，共同构筑一个具有较高能量密度的双离子电池，该种匹配方法适合各种具有不同反应机制的电极材料，具有普适性。
附图说明
图1为具有宽电位窗口的水系锌碳双离子电池的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1所示，为本发明一个实施例提供的一种具有宽电位窗口的水系锌碳双离子电池，包括：正极、负极和水系电解液，所述正极采用具有嵌入脱出储能机制的石墨纸作为一体化电极材料，石墨纸为一体化电极材料，即作为活性物质又作为衬底材料，避免粉末材料涂覆在衬底上需要导电剂和粘结剂，石墨相对于部分层状金属氧化物而言，具有更高的嵌入电位，相对于标准氢电极电势约为1.46V；所述负极采用金属Zn片作为一体化电极材料，金属Zn具有较高的理论容量(820mAh/g)，氧化还原电位为-0.76V(vs.SHE)，并且相对于金属Li、金属Na、金属K而言，金属Zn具有更高的安全性；所述水系电解液包括正极电解液和负极电解液，所述正极电解液采用NaClO4和HClO4的混合液体，所述负极电解液采用NaClO4和Zn(CF3SO3)2的混合液体。
如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，所述正极电解液由17M NaClO4加入HClO4制成，所述HClO4的体积分数为30％，充电时，ClO4-从电解液中嵌入石墨层间并形成石墨层间化合物，放电时，ClO4-从石墨层间脱出回到电解液中；由于阴离子的嵌入电位大于水分解电位，采用高浓度NaClO4作为电解液，虽然能有效拓宽水分解电位，但是没有达到嵌入电位1.46V(vs.SHE)，因此加入HClO4，氢离子的加入能进一步减少体系中的OH-，正极的析氧反应得到抑制，最终正极析氧电位可拓宽到1.7V(vs.SCE)，得以实现ClO4-在石墨电极中进行嵌入脱出能量存储。
如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，所述负极电解液由17M NaClO4和2MZn(CF3SO3)2混合制成，充电时，电解液中的Zn离子沉积到负极Zn片上，放电时，Zn片上的Zn离子重新回到电解液中，直接在NaClO4中加入Zn(CF3SO3)2作为中性负极电解液，析氢电位可达到-1V(vs.SCE)，满足Zn沉积/剥落的反应电位。
如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，为防止两种电解液直接接触，正极与负极之间设置有阴离子交换膜，充电过程中，负极电解液中的Zn离子发生沉积反应，CF3SO3-离子通过阴离子交换膜向正极移动，正极电解液中的ClO4-嵌入石墨，最终匹配的全电池能量密度可高达231Wh/kg。
本发明上述实施例中提供了一种具有宽电位窗口的水系锌碳双离子电池，利用两种电解液匹配全电池的方法，避免了使用单一电解液电位窗口窄、正负极材料对电解液兼容性不同的问题，这种匹配方法也可以扩展到多种电解液，例如负极使用碱性电解液，满足只能在碱性条件下发生反应的负极材料，正极采用酸性电解液，满足酸性条件下发生反应的电极材料，中间采用中性电解液隔开。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种具有宽电位窗口的水系锌碳双离子电池，包括：正极、负极和水系电解液，其特征在于，所述正极采用具有嵌入脱出储能机制的石墨纸作为一体化电极材料，所述负极采用金属Zn片作为一体化电极材料，所述水系电解液包括正极电解液和负极电解液，所述正极电解液采用NaClO4和HClO4的混合液体，所述负极电解液采用NaClO4和Zn(CF3SO3)2的混合液体。
2.根据权利要求1所述的具有宽电位窗口的水系锌碳双离子电池，其特征在于，所述正极与负极之间设置有隔膜，所述隔膜为阴离子交换膜，能够防止正负极电解液相互接触。
3.根据权利要求1所述的具有宽电位窗口的水系锌碳双离子电池，其特征在于，所述正极电解液由17M NaClO4加入HClO4制成，所述HClO4的体积分数为30％；
充电时，ClO4-从电解液中嵌入石墨层间并形成石墨层间化合物；
放电时，ClO4-从石墨层间脱出回到电解液中。
4.根据权利要求1所述的具有宽电位窗口的水系锌碳双离子电池，其特征在于，所述负极电解液由17M NaClO4和2M Zn(CF3SO3)2混合制成；
充电时，电解液中的Zn离子沉积到负极Zn片上；
放电时，Zn片上的Zn离子重新回到电解液中。
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