CN109950457A - 一种水系离子储能器件 - Google Patents

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李爱军
黄杜斌
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Abstract

本发明属于能源电化学领域，涉及一种水系离子储能器件。该水系离子储能器件包括正极、负极、隔膜、电解液和集流体，其特征在于正极的活性材料为具有通式为AxOy的氧化物，其中A选自Fe、Mn、Ti、V、Ni、Co、Cr中的一种；0＜x≤3，0＜y≤7。本发明的水系储能器件功率密度大、安全环保、使用寿命长、成本低，可以应用在各种规模的储能、电网调峰等领域。

Description

一种水系离子储能器件
技术领域
本发明属于能源电化学领域，涉及一种水系离子储能器件。
背景技术
随着化石能源的不断消耗及环境污染日益加剧，发展太阳能、风能等可再生能源及电动汽车成为全球关注的问题。但是太阳能和风能的具有间歇性和波动性等特点，
为了更好地利用间歇式可再生能源，就必须开发出一种安全和成本低的电力储存系统。
从传统的铅酸电池到先进的锂离子电池，各种类型的电池已被提议作为一种可能的电网规模的能源储存策略；然而，锂离子电池价格较高，并且安全性较差。铅酸电池成本低，但是深度充放电寿命较低，并且金属铅和硫酸电解液对环境的污染较大。这些不足大大限制了其在储能中的应用。针对上述问题，水系电池因其具有工作条件简单、安全环保、功率密度较高、价格低廉、循环性能优异等优点，成为最有可能实现大规模储能的储能电池。
相比于锂资源，在地壳中钠、钾、镁储量丰富，约为锂的上百倍。并且钠、钾、镁相对性质稳定，安全无污染，且加工处理较锂方便，因此钠、钾或镁水系离子电池是理想的环保型廉价电池。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种水系离子储能器件，器件功率密度大、安全环保、使用寿命长、成本低，可以应用在各种规模的储能、电网调峰等领域。
本发明涉及一种水系离子储能器件，其特征在于：该水系离子储能器件包括正极、负极、隔膜、电解液和集流体，其特征在于正极的活性材料为具有通式为AxOy的氧化物，其中A选自Fe、Mn、Ti、V、Ni、Co、Cr中的一种；0＜x≤3，0＜y≤7。
本发明的水系离子储能器件的正负极的活性材料为纳米或微米材料。
本发明的水系离子储能器件，其特征在于，正负极添加一定比例的导电剂和粘结剂。
上述粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚丙烯腈、聚氨酯、丁苯橡胶、环氧树脂、LA132、LA133、LA135水性粘结剂等其中至少一种。
上述电解液为阳离子包含钠离子、钾离子、镁离子其中至少一种的水溶液；水系电解液浓度范围为0.5-15mol/L；pH值为1-14。
上述水系电解液为氢氧化钠、硫酸钠、亚硫酸钠、硝酸钠、醋酸钠、高氯酸钠、卤化钠、碳酸钠、氢氧化钾、硫酸钾、硝酸钾、醋酸钾、高氯酸钾、卤化钾、碳酸钾、氢氧化镁、硫酸镁、硝酸镁、醋酸镁、高氯酸镁、卤化镁、碳酸镁其中至少一种。
上述负极材料至少包含一种能够在电解液中进行可逆电化学反应的材料，其选自金属锌、铁、镁、铂、铜、铝及其合金或金属化合物；或至少包含一种能够在电解液中进行金属离子的嵌入和脱出的材料；或选自活性炭、碳纳米管、碳纤维、碳球、石墨烯、多孔炭材料、炭气凝胶、模板炭其中至少一种。
上述隔膜选自有机或者无机多孔材料，可以为玻纤、无纺布、聚烯烃多孔膜其中至少一种。
上述集流体选自碳基材料、金属或合金中至少一种。其中碳基材料包括玻璃碳、石墨、泡沫碳、石墨箔、碳纤维、碳毡其中至少一种；金属或合金包括锌、镍、铝、铁、铜、钛或其合金其中至少一种。
上述集流体厚度为20-2000um，可以是至少一层碳基材料、金属或合金的贴合材料，或者是为了降低集流体质量对其进行拓孔处理。
附图说明
图1是本发明实施例1的恒电流充放电曲线图。
图2是本发明实施例2的恒电流充放电曲线图。
图3是本发明实施例2的循环性能图。
图4是本发明实施例3的恒电流充放电曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但是本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
分别将三氧化二铁、活性炭和导电碳、PTFE按照质量比为80:10:10混合均匀，用N-甲基吡咯烷酮调浆，然后涂在处理好的石墨纸上，涂布厚度为100um，材料装载量为10mg/cm2，干燥、压制成正、负极片；用6mol/L的氢氧化钠水溶液为电解液；用玻纤作为隔膜；组装器件，进行恒流充放电和循环性能测试。图1为在0.1A/g的电流密度条件的恒电流充放电曲线图。
实施例2
分别将二氧化锰、活性炭和导电碳、PTFE按照质量比为80:10:10混合均匀，用N-甲基吡咯烷酮调浆，然后涂在处理好的不锈钢网上，涂布厚度为100um，材料装载量为10mg/cm2，干燥、压制成正、负极片；用1mol/L硫酸钠的水溶液为电解液；用玻纤作为隔膜；组装器件，进行恒流充放电和循环性能测试。图2为在0.5A/g的电流密度条件的恒电流充放电曲线图，图3为其循环性能图。循环1000次以后比容量仍能保持在85mAh/g，库伦效率仍能保持95％以上，表现出优异的循环性能。
实施例3
分别将磷酸钛钠、活性炭和导电碳、PVDF按照质量比为80:10:10混合均匀，用N-甲基吡咯烷酮调浆，然后涂在处理好的不锈钢网上，涂布厚度为100um，材料装载量为10mg/cm2，干燥、压制成正、负极片；用1mol/L硫酸镁的水溶液为电解液；用玻纤作为隔膜；组装器件，进行恒流充放电和循环性能测试。图4为在0.1A/g的电流密度条件的恒电流充放电曲线图。
以上实施方式仅是用于解释权利要求书，本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水系离子储能器件，其特征在于：该水系离子储能器件包括正极、负极、隔膜、电解液和集流体，其特征在于正极的活性材料为具有通式为AxOy的氧化物，其中A选自Fe、Mn、Ti、V、Ni、Co、Cr中的一种；0＜x≤3，0＜y≤7。
2.根据权利要求1所述的水系离子储能器件，其特征在于，正负极的活性材料为纳米或微米材料。
3.根据权利要求1所述的水系离子储能器件，其特征在于，正负极添加一定比例的导电剂和粘结剂。
4.根据权利要求1和权利要求3所述的水系离子储能器件，其特征在于，粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚丙烯腈、聚氨酯、丁苯橡胶、环氧树脂、LA132、LA133、LA135水性粘结剂等其中至少一种。
5.根据权利要求1所述的水系离子储能器件，其特征在于，电解液为阳离子包含钠离子、钾离子、镁离子其中至少一种的水溶液；水系电解液浓度范围为0.5-15mol/L；pH值为1-14。
6.根据权利要求1和权利要求3所述的水系离子储能器件，其特征在于，所述水系电解液为氢氧化钠、硫酸钠、亚硫酸钠、硝酸钠、醋酸钠、高氯酸钠、卤化钠、碳酸钠、氢氧化钾、硫酸钾、硝酸钾、醋酸钾、高氯酸钾、卤化钾、碳酸钾、氢氧化镁、硫酸镁、硝酸镁、醋酸镁、高氯酸镁、卤化镁、碳酸镁其中至少一种。
7.根据权利要求1所述的水系离子储能器件，其特征在于，所述负极材料至少包含一种能够在电解液中进行可逆电化学反应的材料，其选自金属锌、铁、镁、铂、铜、铝及其合金或金属化合物；或至少包含一种能够在电解液中进行金属离子的嵌入和脱出的材料；或选自活性炭、碳纳米管、碳纤维、碳球、石墨烯、多孔炭材料、炭气凝胶、模板炭其中至少一种。
8.根据权利要求1所述的水系离子储能器件，其特征在于，所述隔膜选自有机或者无机多孔材料，可以为玻纤、无纺布、聚烯烃多孔膜其中至少一种。
9.根据权利要求1所述的水系离子储能器件，其特征在于，所述集流体选自碳基材料、金属或合金中至少一种。其中碳基材料包括玻璃碳、石墨、泡沫碳、石墨箔、碳纤维、碳毡其中至少一种；金属或合金包括锌、镍、铝、铁、铜、钛或其合金其中至少一种。
10.根据权利要求1和权利要求10所述的水系离子储能器件，其特征在于，所述集流体厚度为20-2000um，可以是至少一层碳基材料、金属或合金的贴合材料，或者是为了降低集流体质量对其进行拓孔处理。
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