CN103413979A

CN103413979A - 一种以锌为负极的充放电电池

Info

Publication number: CN103413979A
Application number: CN2013103246668A
Authority: CN
Inventors: 张百合; 刘昱; 温祖标; 吴宇平
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2013-11-27

Abstract

本发明属于电化学技术领域，具体为一种以锌为负极的充放电电池。该充放电电池的负极为金属锌或锌的合金或其改性物，电解质则是常见锌盐和除锂离子以外的碱金属离子的水溶液或水凝胶，所述的常见正极材料正极为除锂离子以外碱金属离子的嵌入化合物或者其掺杂物、包覆类化合物、混合物。该种以锌为负极的充放电电池具有非常优良的安全性能和循环稳定性。

Description

一种以锌为负极的充放电电池

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种以锌为负极的充放电电池，本发明还涉及该充放电电池的应用。

背景技术

为了响应节约能源和保护环境的号召，新的电池层出不穷。例如空气电池、锂空气电池、水溶液可充锂电池、锂碘电池、锂硫电池、锂溴电池、钠硫电池、锌锰电池等等。研究者们更加侧重于向绿色环保电池发展迅猛，一次电池向二次电池转化。这有利于节约地球有限的资源，符合可持续发展的战略；电池进一步向节能环保方向发展。

现如今，采用位于有机电解液中的金属锂作为负极材料会存在如下问题：（1）安全性能差，有爆炸危险；（2）生产要求高，成本高；（3）锂在地壳中的含量不高，仅占地壳含量的0.0065%，且极易氧化，与水反应。因此，开发一种安全性高以及稳定性优异、成本低的、循环寿命长的电池很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以锌为负极的充放电电池，以克服锂离子电池安全性能差、生产成本高等问题。

本发明提供的以锌为负极的充放电电池，由负极、正极和电解质组成，其中：

(1) 所述负极为金属锌、锌的合金或其改性物；

(2) 所述电解质为常见锌盐和除锂离子以外的碱金属离子的水溶液或水凝胶；

(3) 所述正极为除锂离子以外碱金属离子的嵌入化合物。

本发明中，所述锌盐包括有无机锌盐、有机锌盐，或它们的混合物；所述的无机锌盐包括金属锌的卤化物、硫化物、硫酸盐或硝酸盐，或其中几种的混合物；所述的有机锌盐包括金属锌的醋酸盐、草酸盐或柠檬酸盐，或者其中几种的混合物。

本发明中，所述的除锂离子以外碱金属离子包括钠离子、钾离子，或者它们的混合物。

本发明中，所述的除锂离子以外碱金属离子(以M表示)的嵌入化合物包括M_xMn₂O₄、M_x[Ni_yCo_zMn_1-y-z]O₂、M_xV₂O₅、或M_xFePO₄，或其掺杂物、包覆类化合物或混合物，其中，0 < x < 1.2， 0≤ y , z < 1且0.1 ≤ 1-y-z；优选00.1< x < 1.2， 0.1 ≤ y , z < 0.5且0.1 ≤ 1-y-z。

另外，本发明还提供以锌为负极的充放电电池的应用，即用于电力的储存和释放。

本发明提供的一种以锌为负极的充放电电池，该电池由于采用金属锌为负极，除锂离子以外碱金属离子的嵌入化合物为正极材料，能够在大电流密度下性能优良，因此具有良好的倍率性能、非常优良稳定性和循环性能。

附图说明

图1是本发明制备的锌为负极、除锂离子以外碱金属离子的嵌入化合物为正极材料的充放电电池结构示意图。

图2 实施例1的(a)倍率曲线和(b)前1000次的循环曲线。

具体实施方式

下面将通过实施例和对比例进行更详细的描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。

对比例1：

以金属锌为负极，正极的活性物质为LiMn₂O₄(80wt.%)、乙炔黑作为导电剂(10wt.%)、聚偏氟乙烯为粘合剂(10wt.%)、N-甲基-吡咯烷酮为溶剂，搅拌成均匀的浆料后，涂布在铝箔上，制成正极极片。将正极极片干燥后，浸没在用0.1 M LiOH溶液调节pH为4的3M LiCl和4M ZnCl₂的混合电解液中，从而得到以锌为负极、LiMn₂O₄为正极的充放电电池。以4C的电流进行测试，充电为先以4C进行恒流、充电到2V，然后以4C进行恒流放电，循环1000次后容量衰减10%。为了比较方便起见，这些数据汇总于表1中。

对比例2：

除了正极活性物质改为LiFePO₄，其它制备条件均与对比例1相同，得到以锌为负极、LiFePO₄为正极的电池。测试条件也与实施例1相同。根据测试结果，同样获得循环1000次后容量衰减12%。为了比较方便起见，这些数据也汇总于表1中。

实施例1：

以金属锌为负极，正极活性物质为Na_0.95MnO₂(80wt.%)、PTFE作为粘合剂(10wt.%)、乙炔黑作为导电剂(10wt.%)，混合均匀后，涂在镍网上，然后干燥浸没在pH为5.5的0.5 M Zn(CH₃COO)₂和0.5 M CH₃COONa组成的混合电解液中，从而得到以锌为负极，Na_0.95MnO₂为正极的锌充放电电池。以4C的电流进行测试，充电为先以4C进行恒流、充电到2V，然后以4C进行恒流放电，从而得到充电电容则后进行恒容量充放电。循环1000次后容量衰减8%。为了比较方便起见，这些数据也汇总于表1中。

实施例2：

除了正极活性物质改为K_0.3MnO₂、电解液中的0.5 M CH₃COONa改为2 M KNO₃外，其它条件均与对实施例1相同，得到以锌为负极、K_0.3MnO₂为正极的电池。测试条件也与实施例1相同。根据测试结果，同样获得循环1000次后容量衰减7%。为了比较方便起见，这些数据也汇总于表1中。

实施例3：

除了正极活性物质改为NaFePO₄，其它制备条件均与对实施例1相同，得到以锌为负极、NaFePO₄为正极的电池。测试条件也与实施例1相同。根据测试结果，同样获得循环1000次后容量衰减9%。为了比较方便起见，这些数据也汇总于表1中。

表1 上述对比例和实施例的能量密度情况(根据电极活性物质的质量)

从表1可以看出，实施例的容量衰减要少，且由于钠盐、钾盐比锂盐要便宜，因此实施例电池的成本要低于对比例，具有良好的应用价值。

Claims

1. 一种以锌为负极的充放电电池，其特征在于：由负极、正极和电解质组成，其中：

(1) 所述负极为金属锌、锌的合金或其改性物；

(2) 所述电解质为锌盐和除锂离子以外的碱金属离子的水溶液或水凝胶；

(3) 所述正极为除锂离子以外碱金属离子的嵌入化合物。

2. 根据权利要求1所述的以锌为负极的充放电电池，其特征在于所述的锌盐为有无机锌盐或有机锌盐，或其中几种的混合物。

3. 根据权利要求2所述的以锌为负极的充放电电池，其特征在于所述的无机锌盐为金属锌的卤化物、硫化物、硫酸盐或硝酸盐，或其中几种的混合物。

4. 根据权利要求2所述的以锌为负极的充放电电池，其特征在于所述的有机锌盐包括金属锌的醋酸盐、草酸盐或柠檬酸盐，或者其中几种的混合物。

5. 根据权利要求1-4之一所述的以锌为负极的充放电电池，其特征在于所述的除锂离子以外碱金属离子为钠离子、钾离子，或者它们的混合物。

6. 根据权利要求1-5之一所述的以锌为负极的充放电电池，其特征在于所述的除锂离子以外的碱金属离子的嵌入化合物为：M_xMn₂O₄、M_x[Ni_yCo_zMn_1-y-z]O₂、M_xV₂O₅或M_xFePO₄，或其掺杂物、包覆类化合物或混合物；其中，以M表示碱金属离子，0 < x < 1.20，0≤y, z < 1且0.1 < 1-y-z。

7. 如权利要求1-6之一所述的以锌为负极的充放电电池在电力的储存和释放中的应用。