CN110854477A - 混合活性金属离子/金属-氧电池体系、其构建方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种混合活性金属离子/金属‑氧电池体系，所述电池体系以活性金属作为负极，氧气和活性载体材料作为正极，且在电化学反应过程中可逆地生成一种同时含活性金属离子、氧和活性载体材料的中间化合物。本发明的混合活性金属离子/金属‑氧电池有效地结合活性金属离子电池低极化、长循环寿命和金属‑氧电池高容量的优点并同时避免了它们的缺点。该混合电池实现了活性金属离子和氧同时可逆地存储于一种载体材料中。本发明提供的混合电池体系有望成为下一代高比能量电池，并优先于金属‑氧电池被应用于实际生活中。

Description

混合活性金属离子/金属-氧电池体系、其构建方法和应用
技术领域
本发明属于化学电源领域，具体涉及一种混合活性金属离子/金属-氧电池体系，及其构建方法和应用。
背景技术
活性金属离子电池已经广泛应用于各种便携式设备以及电动交通工具。随着社会的蓬勃发展，人们对高能量密度储能器件的需求日益增加。因此，人们开始将研究重点转向下一代高比能量二次电池，比如金属-氧电池。
金属-氧电池采用氧气作为正极，活性金属作为负极。由于正极活性物质氧是气体，正极电极需要使用固体导电载体材料。在放电过程中，氧气在载体材料上与活性金属离子结合并被还原生成固体金属氧化物。在充电过程中，固体金属氧化物被分解并释放出氧气。在这个过程中，载体材料不参与电化学反应，即没有被氧化或者还原。
由于反应涉及气、液和固三相之间的质量、离子和电荷输运，金属-氧电池通常具有较慢的反应速率和较大的极化。生成的固体金属氧化物通常只是随机地分布在导电载体材料上，容易引起电极体积膨胀、孔道堵塞和电池失效等问题。
与常见活性金属离子电池相比，金属-氧电池具有更高的比容量，但是其能量效率更低、循环寿命更短。为了有效地结合活性金属离子电池低极化和金属-氧电池高容量的优点并同时避免它们各自缺点，本发明提出构建混合活性金属离子/金属-氧电池体系(下称混合电池)。在混合电池中，活性金属离子和氧可以同时可逆地存储在一种活性载体材料中，并生成一种同时含活性金属离子、氧和载体材料的化合物。此时，载体材料也参与电化学反应，也是一种活性材料，因而它被称为活性载体材料。该混合电池具有容量高、极化低、寿命长的优点。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种混合活性金属离子/金属-氧电池体系，及其构建方法和应用。
在阐述本发明的技术方案之前，定义本文中所使用的术语如下：
术语“活性金属”是指：自身能够参与电化学反应、具有电化学反应活性的金属。
术语“活性载体材料”是指：自身能够参与电化学反应，能够同时存储活性金属和氧并反应生成一种化合物的材料。
术语“PVDF”是指：聚偏氟乙烯。
术语“LiTFSI”是指：双三氟甲烷磺酰亚胺锂。
术语“DME”是指：乙二醇二甲醚。
术语“NaTFSI”是指：双三氟甲烷磺酰亚胺钠。
术语“DMSO”是指：二甲基亚砜。
术语“PTFE”是指：聚四氟乙烯。
术语“EMIm”是指：氯化1-乙基-3-甲基咪唑。
术语“EC”是指：碳酸乙烯酯。
术语“EMC”是指：碳酸甲乙酯。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种混合活性金属离子/金属-氧电池体系，所述电池体系以活性金属作为负极，氧气和活性载体材料作为正极，且在电化学反应过程中可逆地生成一种同时含活性金属离子、氧和活性载体材料的中间化合物。
根据本发明第一方面的电池体系，其中，所述活性金属选自以下一种或多种：锂、钠、钾、镁、钙、铝，锌。
根据本发明第一方面的电池体系，其中，所述活性载体材料含有在电化学反应过程可变价的金属离子；
优选地，所述金属离子选自以下一种或多种：钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、锆、铌、钼、钌、钨、锡，锑。
根据本发明第一方面的电池体系，其中，所述活性载体材料选自以下一种或多种：金属氧化物、金属氟化物、金属硫化物、金属硒化物、金属碳化物、金属氮化物、金属氯化物、金属溴化物，金属碘化物、金属含氧酸盐。
优选地，所述活性载体材料选自以下一种或多种：MoS2，WSe2，FeCl2，Nb2N3，VCl4，FeS，ZrN，WCl2，Li5FeO4，Li2MnO3·LiFeO2。
根据本发明第一方面的电池体系，其中，所述中间化合物选自以下一种或多种：金属氧化物、金属氟氧化物、金属硫氧化物、金属硒氧化物、金属碳氧化物、金属氮氧化物、金属氯氧化物、金属溴氧化物，金属碘氧化物。
根据本发明第一方面的电池体系，其中，所述电池体系中还包括催化剂；
优选地，所述催化剂选自以下一种或多种：金属碘化物、金属碘酸盐、金属溴化物、金属溴酸盐、铂、金、氧化锰、氧化钌、碳化钼、四硫富瓦烯、四甲基哌啶氮氧化物，碳材料；
更优选地，所述碳材料选自以下一种或多种：导电碳黑、石墨烯、还原氧化石墨烯、碳纳米管、石墨和硬碳。
根据本发明第一方面的电池体系，其中，所述电池体系的运行环境为富氧环境。
本发明的第二方面提供了第一方面所述的电池体系的构建方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将所述活性金属片作为负极；
(2)将正极活性载体材料制备为正极；
(3)制备电解液；
(4)将步骤(1)～(3)所得材料组装成为半开放电池，其中正极部分暴露在氧气气氛中；
(5)所述电池循环在富氧环境中进行，得到本发明所述的电池体系；
优选地，步骤(3)中所述电解液为液体电解液或固体电解液；
更优选地，所述电解液中加入催化剂。
根据本发明第二方面的方法，其中，所述步骤(2)中，所述正极材料直接生长在电极上和/或与添加剂和粘接剂混合后喷附在电极上；
优选地，所述添加剂选自以下一种或多种：导电碳黑、碳纳米管、石墨烯；和/或
所述粘接剂选自以下一种或多种：聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯。
本发明的第三方面提供了第一方面所述的混合活性金属离子/金属-氧电池体系在制备化学电源产品中的应用。
本发明的目的在于：提供一种新型混合活性金属离子/金属-氧电池体系，该混合电池有效地结合了活性金属离子电池低极化和金属-氧电池高容量的优点并同时避免了它们的缺点，因而，有望成为下一代高比能量电池而被广泛使用。
为了实现上述发明目的，本发明提供了构建混合活性金属离子/金属-氧电池体系的方法和策略。关键技术在于活性金属、氧和活性载体材料三者间的匹配，要求活性金属与氧可以可逆地存储于一种活性载体材料中，并生成一种同时含活性金属离子、氧和活性载体材料的化合物。
所述活性金属包含金属锂、金属钠、金属钾、金属镁、金属钙、金属铝和金属锌中的一种或多种。
所述活性载体材料要求能够同时存储上述活性金属和氧。因此它应含有可变价的金属离子和与氧共存的阴离子。常用的活性载体材料包含金属氧化物、金属氟化物、金属硫化物、金属硒化物、金属碳化物、金属氮化物、金属氯化物、金属溴化物和金属碘化物的一种或多种。对应生成的放电化合物包含金属氧化物、金属氟氧化物、金属硫氧化物、金属硒氧化物、金属碳氧化物、金属氮氧化物、金属氯氧化物、金属溴氧化物和金属碘氧化物的一种或多种。
所述活性载体材料所含可变价金属离子包含钒、铬、锰、铁、钴、镍、铌、钼、钌和钨的一种或者多种。
为了进一步促进混合电池内的电化学反应，混合电池可以使用液体或者固体催化剂。常用的催化剂包含碘化锂、碘酸锂、溴化锂、溴酸锂、铂、金、氧化锰、氧化钌、碳化钼、四硫富瓦烯、四甲基哌啶氮氧化物和各种碳材料。
本发明的混合活性金属离子/金属-氧电池有效地结合活性金属离子电池低极化、长循环寿命和金属-氧电池高容量的优点并同时避免了它们的缺点。该混合电池实现了活性金属离子和氧同时可逆地存储于一种载体材料中。本发明提供的混合电池体系有望成为下一代高比能量电池，并优先于金属-氧电池被应用于实际生活中。
本发明的混合活性金属离子/金属-氧电池体系可以具有但不限于以下有益效果：
本发明提供了一种新型混合活性金属离子/金属-氧电池体系。所述混合活性金属离子/金属-氧电池体系以活性金属作为负极，氧气和活性载体材料作为正极。所述混合活性金属离子/金属-氧电池体系需在富氧环境中工作，且可逆生成同时含活性金属离子、氧和活性载体材料的化合物。所述活性金属是指自身能够参与电化学反应、具有电化学反应活性的金属。所述活性载体材料是指能够同时可逆存储活性金属离子和氧的材料。所述混合活性金属离子/金属-氧电池体系结合了常见活性金属离子电池极化低、寿命长和金属-氧电池容量高的优点，克服了常见活性金属离子电池容量低的缺点和金属-氧电池极化大的缺点。
该混合电池有效地结合活性金属离子电池低极化、长循环寿命和金属-氧电池高容量的优点并同时避免了它们的缺点。该混合电池实现了活性金属离子和氧同时可逆地存储于同一种载体材料中。因此，活性载体材料既引导了氧的吸附，又限制了正极的体积膨胀。与金属-氧电池常用的催化剂相比，活性载体材料由于其在循环过程中可逆地被氧化/还原，具有自清洁功能，因而避免了常见催化剂钝化、中毒等问题。所述的混合活性金属离子/金属-氧电池体系有望先于金属-氧电池获得广泛应用。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1示出了活性金属离子电池、金属-氧电池和混合活性金属离子/金属-氧电池的电池构建示意图。
图2示出了实施例1中混合锂离子/锂-氧电池的特征电压曲线。
图3示出了实例例1中混合锂离子/锂-氧电池放电产物Li2MoO2S2的Raman特征光谱图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
以下实施例中使用的试剂和仪器如下：
试剂：
金属锂薄片，MoS2，导电碳黑，PVDF，LiTFSI，LiI，DME，金属钠薄片，WSe2，NaTFSI，NaI，FeCl2，LiClO4，Nb2N3，PTFE，LiPON，金属钾薄片，VCl4，KPF6，金属钙薄片，FeS，石墨烯，Ca(ClO4)2，CaBr2，金属铝薄片，ZrN，离子液体AlCl3/[EMIm]，WCl2，Na3Zr2Si2PO12，Li5FeO4，Li5La3Zr2O12，Li2MnO3·LiFeO2，LiPF6，EC，EMC，铂，碳纸，泡沫镍，购自Sigma公司。
仪器：
拉曼(Raman)光谱仪，购自Renishaw公司型号inVia conf。
实施例1
本实施例用于说明本发明新型混合活性金属离子/金属-氧电池体系的构建方法，具体涉及一种新型混合锂离子/锂-氧电池体系。
(1)负极采用金属锂薄片。
(2)正极活性载体材料为二硫化钼(MoS2)。具体电极制备工艺：将MoS2、导电碳黑和粘接剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比8:1:1混合，然后喷附在不锈钢网上。
(3)电解液为0.5M双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)、0.5M碘化锂(LiI)溶解在乙二醇二甲醚(DME)。催化剂LiI的加入是为了促进混合电池内部的电化学反应。
(4)组装半开放电池，其中正极部分暴露在氧气气氛中。
(5)电池循环在富氧环境中进行。
(6)在放电过程中，氧气与锂和MoS2反应生成Li2.5MoO2.5S2。通过XPS(X射线光电子能谱)元素分析和拉曼(Raman)光谱证实放电反应产物为Li2.5MoO2.5S2。在充电过程中，Li2.5MoO2.5S2被分解释放氧气、锂和MoS2。
(7)图2是所述混合锂离子/锂-氧电池体系的特征电压曲线。该混合电池具有500mAh/g可逆容量、0.02V电池极化和500周以上的较长的循环寿命。
实施例2
本实施例用于说明本发明新型混合活性金属离子/金属-氧电池体系的构建方法，具体涉及一种新型混合钠离子/钠-氧电池体系。
(1)负极采用金属钠薄片。
(2)正极活性载体材料为硒化钨(WSe2)。具体电极制备工艺：将WSe2、导电碳黑和粘接剂PVDF按质量比9:0.5:0.5混合，然后喷附在不锈钢网上。
(3)电解液为0.5M双三氟甲烷磺酰亚胺钠(NaTFSI)、0.5M碘化钠(NaI)溶解在DME。催化剂NaI的加入是为了促进混合电池内部的电化学反应。
(4)组装半开放电池，其中正极部分暴露在氧气气氛中。
(5)电池循环在富氧环境中进行。
(6)在放电过程中，氧气与钠和WSe2反应生成Na2WO2Se2。通过XPS(X射线光电子能谱)元素分析证实放电反应产物为Na2WO2Se2。在充电过程中，Na2WO2Se2被分解释放氧气、钠和WSe2。
经与实施例1相同的实验证明，本实施例的电池也具有较高的可逆容量、较低电池极化和较长的循环寿命。
实施例3
本实施例用于说明本发明新型混合活性金属离子/金属-氧电池体系的构建方法，具体涉及一种新型混合锂离子/锂-氧电池体系。
(1)负极采用金属锂薄片。
(2)正极活性载体材料为氯化亚铁(FeCl2)。具体电极制备工艺：将FeCl2、导电碳黑和粘接剂PVDF按质量比7:2:1混合，然后喷附在碳纸上。
(3)电解液为1.0M高氯酸锂(LiClO4)溶解在二甲基亚砜(DMSO)。
(4)组装半开放电池，其中正极部分暴露在氧气气氛中。
(5)电池循环在富氧环境中进行。
(6)在放电过程中，氧气与锂和FeCl2反应生成Li0.5FeOCl。通过XPS(X射线光电子能谱)元素分析证实放电反应产物为Li0.5FeOCl。在充电过程中，Li0.5FeOCl被分解释放氧气、锂和FeCl2。
经与实施例1相同的实验证明，本实施例的电池也具有较高的可逆容量、较低电池极化和较长的循环寿命。
实施例4
本实施例用于说明本发明新型混合活性金属离子/金属-氧电池体系的构建方法，具体涉及一种新型混合锂离子/锂-氧电池体系。
(1)负极采用金属锂薄片。
(2)正极活性载体材料为氮化铌(Nb2N3)。具体电极制备工艺：将Nb2N3、碳纳米管和粘接剂聚四氟乙烯(PTFE)按质量比8:1:1混合，然后压在碳纸上。
(3)电解液为固体电解质LiPON。
(4)组装半开放电池，其中正极部分暴露在氧气气氛中。
(5)电池循环在富氧环境中进行。
(6)在放电过程中，氧气与锂和Nb2N3反应生成Li2Nb2ON3。通过XPS(X射线光电子能谱)元素分析证实放电反应产物为Li2Nb2ON3。在充电过程中，Li2Nb2ON3被分解释放氧气、锂和Nb2N3。
经与实施例1相同的实验证明，本实施例的电池也具有较高的可逆容量、较低电池极化和较长的循环寿命。
实施例5
本实施例用于说明本发明新型混合活性金属离子/金属-氧电池体系的构建方法，具体涉及一种新型混合钾离子/钾-氧电池体系。
(1)负极采用金属钾薄片。
(2)正极活性载体材料为氯化钒(VCl4)。具体电极制备工艺：将VCl4、碳纳米管和粘接剂PTFE按质量比9:0.5:0.5混合，然后压在碳纸上。
(3)电解液为1M KPF6溶解在DME中。
(4)组装半开放电池，其中正极部分暴露在氧气气氛中。
(5)电池循环在富氧环境中进行。
(6)在放电过程中，氧气与钾和VCl4反应生成K2VOCl4。通过XPS(X射线光电子能谱)元素分析证实放电反应产物为K2VOCl4。在充电过程中，K2VOCl4被分解释放氧气、钾和VCl4。
经与实施例1相同的实验证明，本实施例的电池也具有较高的可逆容量、较低电池极化和较长的循环寿命。
实施例6
本实施例用于说明本发明新型混合活性金属离子/金属-氧电池体系的构建方法，具体涉及一种新型混合钾离子/钾-氧电池体系。
(1)负极采用金属钾薄片。
(2)正极活性载体材料为MoS2。具体电极制备工艺：将MoO3与硫代硫酸铵按摩尔比1:2混合并分散在80mL的水中，将上述溶液放置在100mL反应釜中，加热到240摄氏度并保温24小时，通过水热方法，将花状MoS2直接生长在不锈钢网上。
(3)电解液为1M KPF6溶解在DME中。
(4)组装半开放电池，其中正极部分暴露在氧气气氛中。
(5)电池循环在富氧环境中进行。
(6)在放电过程中，氧气与钾和MoS2反应生成K2MoO2S2。通过XPS(X射线光电子能谱)元素分析证实放电反应产物为K2MoO2S2。在充电过程中，K2MoO2S2被分解释放氧气、钾和MoS2。
经与实施例1相同的实验证明，本实施例的电池也具有较高的可逆容量、较低电池极化和较长的循环寿命。
实施例7
本实施例用于说明本发明新型混合活性金属离子/金属-氧电池体系的构建方法，具体涉及一种新型混合钙离子/钙-氧电池体系。
(1)负极采用金属钙薄片。
(2)正极活性载体材料为FeS。具体电极制备工艺：将FeS、石墨烯和粘接剂PTFE按质量比8:1:1混合，然后压在碳纸上。
(3)电解液为0.4M Ca(ClO4)2和0.5M CaBr2溶解在DMSO中。催化剂CaBr2的加入是为了促进混合电池内部的电化学反应。
(4)组装半开放电池，其中正极部分暴露在氧气气氛中。
(5)电池循环在富氧环境中进行。
(6)在放电过程中，氧气与钙和FeS反应生成CaFeOS。通过XPS(X射线光电子能谱)元素分析证实放电反应产物为CaFeOS。在充电过程中，CaFeOS被分解释放氧气、钙和FeS。
经与实施例1相同的实验证明，本实施例的电池也具有较高的可逆容量、较低电池极化和较长的循环寿命。
实施例8
本实施例用于说明本发明新型混合活性金属离子/金属-氧电池体系的构建方法，具体涉及一种新型混合铝离子/铝-氧电池体系。
(1)负极采用金属铝薄片。
(2)正极活性载体材料为ZrN。具体电极制备工艺：将ZrN、碳纳米管和粘接剂PTFE按质量比9:0.5:0.5混合，然后压在泡沫镍上。
(3)电解液为离子液体AlCl3/[EMIm](1:3)。EMIm为氯化1-乙基-3-甲基咪唑。
(4)组装半开放电池，其中正极部分暴露在氧气气氛中。
(5)电池循环在富氧环境中进行。
(6)在放电过程中，氧气与铝和FeS反应生成Al3ZrO3N。通过XPS(X射线光电子能谱)元素分析证实放电反应产物为Al3ZrO3N。在充电过程中，Al3ZrO3N被分解释放氧气、铝和FeS。
经与实施例1相同的实验证明，本实施例的电池也具有较高的可逆容量、较低电池极化和较长的循环寿命。
实施例9
本实施例用于说明本发明新型混合活性金属离子/金属-氧电池体系的构建方法，具体涉及一种新型混合钠离子/钠-氧电池体系。
(1)负极采用金属钠薄片。
(2)正极活性载体材料为WCl2。具体电极制备工艺：将WCl2、碳纳米管和粘接剂PTFE按质量比9:0.5:0.5混合，然后压在泡沫镍上。
(3)电解液为固体电解质Na3Zr2Si2PO12。
(4)组装半开放电池，其中正极部分暴露在氧气气氛中。
(5)电池循环在富氧环境中进行。
(6)在放电过程中，氧气与钠和WCl2反应生成NaWO2Cl2。通过XPS(X射线光电子能谱)元素分析证实放电反应产物为NaWO2Cl2。在充电过程中，NaWO2Cl2被分解释放氧气、钠和WCl2。
经与实施例1相同的实验证明，本实施例的电池也具有较高的可逆容量、较低电池极化和较长的循环寿命。
实施例10
本实施例用于说明本发明新型混合活性金属离子/金属-氧电池体系的构建方法，具体涉及一种新型混合锂离子/锂-氧电池体系。
(1)负极采用金属锂薄片。
(2)正极活性载体材料为Li5FeO4。具体电极制备工艺：将Li5FeO4、碳纳米管和粘接剂聚四氟乙烯(PTFE)按质量比9:0.5:0.5混合，然后压在泡沫镍上。
(3)电解液为固体电解质Li5La3Zr2O12。
(4)组装半开放电池，其中正极部分暴露在氧气气氛中。
(5)电池循环在富氧环境中进行。
(6)在充电过程中，Li5FeO4被分解并释放氧气、锂和Fe2O3。通过XPS(X射线光电子能谱)元素分析证实充电反应产物为Fe2O3。在放电过程中，氧气与锂和Fe2O3反应生成Li5FeO4。
经与实施例1相同的实验证明，本实施例的电池也具有较高的可逆容量、较低电池极化和较长的循环寿命。
实施例11
本实施例用于说明本发明新型混合活性金属离子/金属-氧电池体系的构建方法，具体涉及一种新型混合锂离子/锂-氧电池体系。
(1)负极采用金属锂薄片。
(2)正极活性载体材料为Li2MnO3·LiFeO2。具体电极制备工艺：将Li2MnO3·LiFeO2、碳纳米管和粘接剂聚四氟乙烯(PTFE)按质量比9:0.5:0.5混合，然后压在不锈钢网上。
(3)电解液为1M LiPF6溶解在碳酸乙烯酯(EC)和碳酸甲乙酯(EMC)(3:7体积比)里。
(4)组装半开放电池，其中正极部分暴露在氧气气氛中。
(5)电池循环在富氧环境中进行。
(6)在充电过程中，Li2MnO3·LiFeO2被分解并释放氧气、锂和MnO2·LiFeO2。通过XPS(X射线光电子能谱)元素分析证实充电反应产物为MnO2·LiFeO2。在放电过程中，氧气与锂和MnO2·LiFeO2反应生成Li2MnO3·LiFeO2。
经与实施例1相同的实验证明，本实施例的电池也具有较高的可逆容量、较低电池极化和较长的循环寿命。
对比例1
其他条件与实施例1相同，不同之处仅在于采用非活性载体材料铂代替正极活性载体材料。在放电过程中，氧气与锂反应生成Li2O2。在充电过程中，Li2O2被分解释放氧气和锂。该电池具有0.5V初始极化且仅能循环10周。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

Claims (10)

1.一种混合活性金属离子/金属-氧电池体系，其特征在于，所述电池体系以活性金属作为负极，氧气和活性载体材料作为正极，且在电化学反应过程中可逆地生成一种同时含活性金属离子、氧和活性载体材料的中间化合物。
2.根据权利要求1所述的电池体系，其特征在于，所述活性金属选自以下一种或多种：锂、钠、钾、镁、钙、铝，锌。
3.根据权利要求1或2所述的电池体系，其特征在于，所述活性载体材料含有在电化学反应过程可变价的金属离子；
优选地，所述金属离子选自以下一种或多种：钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、锆、铌、钼、钌、钨、锡，锑。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池体系，其特征在于，所述活性载体材料选自以下一种或多种：金属氧化物、金属氟化物、金属硫化物、金属硒化物、金属碳化物、金属氮化物、金属氯化物、金属溴化物，金属碘化物、金属含氧酸盐；
优选地，所述活性载体材料选自以下一种或多种：MoS2，WSe2，FeCl2，Nb2N3，VCl4，FeS，ZrN，WCl2，Li5FeO4，Li2MnO3·LiFeO2。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电池体系，其特征在于，所述中间化合物选自以下一种或多种：金属氧化物、金属氟氧化物、金属硫氧化物、金属硒氧化物、金属碳氧化物、金属氮氧化物、金属氯氧化物、金属溴氧化物，金属碘氧化物。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电池体系，其特征在于，所述电池体系中还包括催化剂；
优选地，所述催化剂选自以下一种或多种：金属碘化物、金属碘酸盐、金属溴化物、金属溴酸盐、铂、金、氧化锰、氧化钌、碳化钼、四硫富瓦烯、四甲基哌啶氮氧化物，碳材料；
更优选地，所述碳材料选自以下一种或多种：导电碳黑、石墨烯、还原氧化石墨烯、碳纳米管、石墨和硬碳。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电池体系，其特征在于，所述电池体系的运行环境为富氧环境。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电池体系的构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将所述活性金属片作为负极；
(2)将正极活性载体材料制备为正极；
(3)制备电解液；
(4)将步骤(1)～(3)所得材料组装成为半开放电池，其中正极部分暴露在氧气气氛中；
(5)所述电池循环在富氧环境中进行，得到本发明所述的电池体系；
优选地，步骤(3)中所述电解液为液体电解液或固体电解液；
更优选地，所述电解液中加入催化剂。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述正极材料直接生长在电极上和/或与添加剂和粘接剂混合后喷附在电极上；
优选地，所述添加剂选自以下一种或多种：导电碳黑、碳纳米管、石墨烯；和/或
所述粘接剂选自以下一种或多种：聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的混合活性金属离子/金属-氧电池体系在制备化学电源产品中的应用。
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