CN112133913A - 高比能量的二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高比能量的二次电池，包括：正极、负极以及电解液，其中，正极的活性物质为碘及其衍生物，负极为金属或合金。本发明的高比能量的二次电池的制备方法操作简单、方便、易于工业化，且成本低、污染少，并且制备的金属/碘化合物体系二次电池与常规二次电池相比，原料来源简单，成本低、性能可调控性强，比能量高，在电动车、电动工具、电网储能等方面有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电化学工程与工业装置领域，具体涉及一种高比能量的二次电池。
背景技术
因环境恶化压力及传统石化能源弊端，新能源作为我国的新兴产业的将长期持续发展。太阳能和风能发电等新能源受时间、气候等因素影响，不可能按火电那样根据需要“随用即发”，需要大规模蓄电相配合，避免造成“弃风”“弃光”的浪费。同时，系能源汽车的快速发展，对电池比能量的要求越来越高。此外，电网调峰也需要规模蓄电设备。因此，大规模蓄电是国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键问题之一。但是，现有储电正极材料能量密度已发展到瓶颈，亟需开发高能量密度的新型电池材料。研发环保、高能量密度的大规模蓄电池是储能研究的当务之急。但各类化学电源中，适合大规模蓄电者必须具备安全、廉价、环保三项基本性能。碘具有可变的价态,可发生多电子的氧化还原可逆反应，价态可在-1至+7之间变化，因而具有高达1690Ah/Kg的理论容量。同时，地球上有丰富的碘储量，其中海水中含高达800亿吨；此外，一些天然气田、油田及矿石中也有大量的碘。因而研究碘在化学电源中的应用，不仅科学意义重大，实用价值也很高。以卤素的正极材料研究的不多，而且主要利用卤素化合物从-1价至0价之间变化。目前，尚未有研究利用卤素由-1价至+3或更高价态的变化正极材料，如：由-1价碘(如：I-1)变为+3价(如：ICl3)。该过程涉及4电子转移的反应，因而能量密度大大增加。因而，如能将其在化学电源中的新应用，将有较高的理论和现实意义。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种高比能量的二次电池。
本发明提供了一种高比能量的二次电池，具有这样的特征，包括：正极、负极以及电解液，其中，正极的活性物质为碘及其衍生物，负极为金属或合金。
在本发明提供的高比能量的二次电池中，还可以具有这样的特征：其中，碘及其衍生物为单质碘I2、卤化碘IXn、金属碘化物MIx、有机碘化铵盐R4NIn、N-取代咪唑盐、有机碘化鏻盐R4PIn、吡啶碘化氢盐及其衍生物、有机碘化锍盐R3SIn、有机碘代物RIXn、有机碘化铵盐聚合物、N-取代咪唑盐聚合物、有机碘化鏻盐聚合物、有机碘化锍盐聚合物、有机碘代物聚合物。
在本发明提供的高比能量的二次电池中，还可以具有这样的特征：其中，金属碘化物中的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，金属为第一主族元素、第二主族元素、第三主族元素、第四主族元素或过渡金属，有机碘化铵盐中的铵根阳离子为四烷基或芳基阳离子，阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物。
在本发明提供的高比能量的二次电池中，还可以具有这样的特征：其中，N-取代咪唑盐中的阳离子为N-烷基或芳基取代的咪唑阳离子，阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，有机碘化鏻盐中的鏻根阳离子为四烷基或芳基阳离子，阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物。
在本发明提供的高比能量的二次电池中，还可以具有这样的特征：其中，吡啶碘化氢盐及其衍生物中的质子化的芳香有机碱为阳离子，组成化合物的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，有机碘化锍盐中的锍根阳离子为三烷基或芳基阳离子，组成化合物的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物。
在本发明提供的高比能量的二次电池中，还可以具有这样的特征：其中，有机碘代物中的碘与其所连的烷基或芳基(R)以共价键相连外，还与卤素、氧以单键或双键相连，有机碘化铵盐聚合物中的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，铵根阳离子的烷基或芳基为1维、2维及3维聚合物。
在本发明提供的高比能量的二次电池中，还可以具有这样的特征：其中，有机N-取代咪唑盐聚合物中的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，阳离子的N-取代咪唑盐为1维、2维及3维聚合物，有机碘化鏻盐聚合物中的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，阳离子为鏻盐的1维、2维及3维聚合物。
在本发明提供的高比能量的二次电池中，还可以具有这样的特征：其中，有机碘化锍盐聚合物中的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，阳离子为锍盐1维、2维及3维聚合物，有机碘代聚合物中的碘与其所连的烷基或芳基聚合物骨架以共价键相连外，还与卤素、氧以单键或双键相连。
发明的作用与效果
本发明的高比能量的二次电池的制备方法操作简单、方便、易于工业化，且成本低、污染少，并且制备的金属/碘化合物体系二次电池与常规二次电池相比，原料来源简单，成本低、性能可调控性强，比能量高，在电动车、电动工具、电网储能等方面有广阔的应用前景。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例对本发明作具体阐述。
本发明的一种高比能量的二次电池，包括：正极、负极以及电解液，其中，正极的活性物质为碘及其衍生物，负极为金属或合金。
本发明中，负极为锂、钠、钾、铁、锌、镁、钙、铝等金属。
本发明中，碘及其衍生物为单质碘I2、卤化碘IXn、金属碘化物MIx、有机碘化铵盐R4NIn、N-取代咪唑盐、有机碘化鏻盐R4PIn、吡啶碘化氢盐及其衍生物、有机碘化锍盐R3SIn、有机碘代物RIXn、有机碘化铵盐聚合物、N-取代咪唑盐聚合物、有机碘化鏻盐聚合物、有机碘化锍盐聚合物、有机碘代物聚合物。
本发明中，卤化碘可以为IF、IF3、IF5、ICl、ICl3、IBr、IBr3以及其它化合物。
本发明中，金属碘化物中的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，如，但不仅限于：I-，I- n，金属为第一主族元素、第二主族元素、第三主族元素、第四主族元素或过渡金属；有机碘化铵盐中的铵根阳离子为四烷基或芳基阳离子，阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，如，R4NI、R4NI3、R4NIn。
本发明中，N-取代咪唑盐如，但不仅限于：
且N-取代咪唑盐中的阳离子为N-烷基或芳基取代的咪唑阳离子，阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，有机碘化鏻盐中的鏻根阳离子为四烷基或芳基阳离子，阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，如，但不仅限于：R4PI、R4PI3、R4PIn。
本发明中，吡啶碘化氢盐及其衍生物中的质子化的芳香有机碱为阳离子，组成化合物的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，如，但不仅限于：
有机碘化锍盐中的锍根阳离子为三烷基或芳基阳离子，组成化合物的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，如，但不仅限于：R3SI、R3SI3、R3SIn。
本发明中，有机碘代物中的碘与其所连的烷基或芳基(R)以共价键相连外，还与卤素、氧以单键或双键相连，如，但不仅限于：RIXn，X＝F、Cl、Br、OR；有机碘化铵盐聚合物中的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，铵根阳离子的烷基或芳基为1维、2维及3维聚合物，如，但不仅限于：
本发明中，有机N-取代咪唑盐聚合物中的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，阳离子的N-取代咪唑盐为1维、2维及3维聚合物，如，但不仅限于：
有机碘化鏻盐聚合物中的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，阳离子为鏻盐的1维、2维及3维聚合物，如，但不仅限于：
本发明中，有机碘化锍盐聚合物中的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，阳离子为锍盐1维、2维及3维聚合物，有机碘代聚合物中的碘与其所连的烷基或芳基聚合物(1维、2维及3维聚合物)骨架以共价键相连外，还与卤素、氧以单键或双键相连，如，但不仅限于：
本发明中，电解液为非水电解液，且该电解液所用溶剂为非水的极性溶剂，所用电解质为可溶于非水极性溶剂的有机盐或无机盐。
<实施例1>
采用吡啶碘化氢盐及其衍生物作为正极，采用锌电极作为负极，采用乙醇/碳酸二甲酯混合溶剂溶解1M的ZnCl2作为电解液，组装成为电池体系。
<实施例2>
采用N-烷基或芳基取代的咪唑阳离子，组成化合物的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物作为正极，采用铁电极作为负极，采用乙醇/碳酸二甲酯混合溶剂溶解1M的FeCl3作为电解液，组装成全电池体系。
<实施例3>
采用组成化合物的鏻根阳离子为四烷基或芳基阳离子，组成化合物的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物作为正极，采用钠电极作为负极，采用碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯混合溶剂溶解1M的六氟磷酸钠作为电解液，组装成全电池体系。
<实施例4>
采用组成化合物的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，组成化合物的阳离子锍盐1维、2维及3维聚合物作为正极，采用锂电极作为负极，采用碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯混合溶剂溶解1M的六氟磷酸锂作为电解液，组装成全电池体系。
实施例的作用与效果
由上述实施例可知，充分利用高价碘能储存/转移多个电子的能力，研究开发新型高能量密度的正极材料，突破现有正极材料容量及能量瓶颈，得到了具有生产成本低、高效、高比能的新型电池。此外，本发明的高比能量的二次电池的制备方法操作简单、方便、易于工业化，且成本低、污染少，并且制备的金属/碘化合物体系二次电池与常规二次电池相比，原料来源简单，成本低、性能可调控性强，比能量高，在电动车、电动工具、电网储能等方面有广阔的应用前景。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种高比能量的二次电池，其特征在于，包括：正极、负极以及电解液，
其中，所述正极的活性物质为碘及其衍生物，所述负极为金属或合金。
2.根据权利要求1所述的高比能量的二次电池，其特征在于：
其中，所述碘及其衍生物为单质碘I2、卤化碘IXn、金属碘化物MIx、有机碘化铵盐R4NIn、N-取代咪唑盐、有机碘化鏻盐R4PIn、吡啶碘化氢盐及其衍生物、有机碘化锍盐R3SIn、有机碘代物RIXn、有机碘化铵盐聚合物、N-取代咪唑盐聚合物、有机碘化鏻盐聚合物、有机碘化锍盐聚合物、有机碘代物聚合物。
3.根据权利要求2所述的高比能量的二次电池，其特征在于：
其中，所述金属碘化物中的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，金属为第一主族元素、第二主族元素、第三主族元素、第四主族元素或过渡金属，
所述有机碘化铵盐中的铵根阳离子为四烷基或芳基阳离子，阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物。
4.根据权利要求2所述的高比能量的二次电池，其特征在于：
其中，所述N-取代咪唑盐中的阳离子为N-烷基或芳基取代的咪唑阳离子，阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，
所述有机碘化鏻盐中的鏻根阳离子为四烷基或芳基阳离子，阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物。
5.根据权利要求2所述的高比能量的二次电池，其特征在于：
其中，所述吡啶碘化氢盐及其衍生物中的质子化的芳香有机碱为阳离子，组成化合物的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，
所述有机碘化锍盐中的锍根阳离子为三烷基或芳基阳离子，组成化合物的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物。
6.根据权利要求2所述的高比能量的二次电池，其特征在于：
其中，所述有机碘代物中的碘与其所连的烷基或芳基(R)以共价键相连外，还与卤素、氧以单键或双键相连，
所述有机碘化铵盐聚合物中的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，铵根阳离子的烷基或芳基为1维、2维及3维聚合物。
7.根据权利要求2所述的高比能量的二次电池，其特征在于：
其中，所述有机N-取代咪唑盐聚合物中的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，阳离子的N-取代咪唑盐为1维、2维及3维聚合物，
所述有机碘化鏻盐聚合物中的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，阳离子为鏻盐的1维、2维及3维聚合物。
8.根据权利要求2所述的高比能量的二次电池，其特征在于：
其中，所述有机碘化锍盐聚合物中的阴离子为碘负离子及其与碘单质所形成的络合物，阳离子为锍盐1维、2维及3维聚合物，
所述有机碘代聚合物中的碘与其所连的烷基或芳基聚合物骨架以共价键相连外，还与卤素、氧以单键或双键相连。
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