CN116315153A - 一种用于水系锌硫电池的双性电解液 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水系锌离子领域，特别涉及一种基于双性电解液的锌硫的水系二次电池，主要包括含硫正极，含锌负极，酸性、中性电解质和隔膜。本发明主要基于水系电解质中硫正极在酸性电解质中较好的电化学反应动力学和锌离子中性电解质中实现可逆沉积储能机制。因此本发明所述的双性电解液的锌硫电池具有高容量、循环寿命长、安全环保等优势，未来在于电子产品、电动交通工具、规模储能等领域具有十分广阔的应用前景。

Description

一种用于水系锌硫电池的双性电解液

技术领域

本发明涉及水系锌离子电池技术领域，具体为基于双性电解液的锌-硫的水系二次电池。

背景技术

能源和环境日益严峻的形式给人类生活带来了极大的考验，加速新型储能体系研发，既能有效缓解能源和环境压力，又能推动可持续发展的紧迫任务。目前锂离子电池基本上垄断了消费级电子产品的市场份额，并且也逐渐应用在电动交通警工具上。但是由于自身电化学机理以及金属锂的特性，锂离子电池易燃易爆炸，并不能满足强调安全、稳定的领域：如植入器件、大规模储能以及特殊军事领域。为了应对这一情况，人们把研究目光越来越多地转移到绿色、不易燃、无毒电解质的可充电电池的。

水系电池凭借其较高的安全性可以很好地满足了上述标准，但目前获得的能量密度远远低于非水溶液系统，如锂离子电池和锂硫电池。由于电化学窗口的限制，水电池的电池电压不易达到锂离子电池的水平。因此，探索高容量的电极是实现高能量密度的关键。在这方面，锌金属阳极具有很高的理论容量(810mAh/g)、低成本(2$/kg)，合适的电位(0.76Vvs标准氢电极)，高导电性。现阶段水系锌离子电池正极主要以锰基、钒基和有机物正极为主，然而这些材料能量密度相较于锌负极过低，严重限制水系锌电池能量密度提升。

近年来硫族元素等在电化学储能领域收到极大的关注，随着金属空气电池、金属硫电池体系的深入开发，这类正极的高容量优势得到充分体现，并且为有望进一步提升水系电池的能量密度。尽管硫基正极在有机锂电池中已被广泛研究，但是在水系锌离子电池中研究尚少。目前报道的锌硫电池通常都是基于中性电解液，组装的锌硫电池动力学性能较差，且能量转化效率较低，因此需要对水系锌硫电池进一步开发。

发明内容

本发明的目的在于，构建一种反应动力学良好的双性电解液的水系锌硫电池：

正极含硫；负极为锌；正极电解液环境为酸性，负极所处电解液为中性，中间以阴离子交换膜作为隔膜；

所述正极为含硫的混合物，按照质量比计，50％-80％的硫、10％-15％的导电剂和10％-15％的粘结剂；

硫正极为负载在碳基基底上的硫，碳基基底可以是碳纳米管、活性炭、生物质衍生碳的一种；

所述酸性电解液为含有锌盐和硫酸的混合溶液，其中锌盐可以为硫酸锌、醋酸锌、氯化锌中的一种，溶液ph值为1-3。

所述中性电解液为硫酸锌、醋酸锌、氯化锌、三氟甲烷磺酸锌水溶液中的一种，浓度为1-5mo l/L。

所述阴离子交换膜可以是聚芳醚类、季胺化聚芴基醚、季胺化聚亚苯基、聚醚酮和聚苯基砜类的一种；

所述锌负极可以是金属锌箔、也可以是锌粉混合物构成；

所述双性电解质也可以为凝胶态电解质，组装仍需要阴离子交换膜阻隔。

所述正极集流体材料为不锈钢、钛、碳布中一种或多种

本发明的优点：

本发明双性电解质水系锌硫电池利用酸性环境来减小硫还原势垒，提升硫正极的反应动力学，提高放电电压平台，通过阴离子交换膜而控制锌负极的中性环境以此来保护锌负极同时抑制析氢反应，这种双性电解液体系构建使得电池器件具有稳定的循环性能和高能比，未来可大规模应用于柔性穿戴器件、电动车、静态储能等电化学储能领域。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为采用本申请实施例1提供的锌硫电池示意图；

图2为采用本申请实施例1提供的双性电解液锌硫电池循环寿命图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例1

正极：采用单质硫作为主体活性材料，将硫粉利用高压反应釜负载到碳纳米管上，然后将硫正极、导电炭黑和粘结剂pvdf以8：1：1的质量比混合之后，涂敷于钛网表面，真空中烘干，裁成一定大小，得到正极。

负极：直接采用0.1mm锌箔。

酸性电解质：采用1mo l/L硫酸锌再利用硫酸将ph调节为1。

中性电解质：采用2mo l/L醋酸锌水溶液；

隔膜：聚芳醚类阴离子交换膜；

将正极电极片置于酸性电解质中，负极置于中性电解质中，中间加上隔膜，组装电池进行测试；图1为采用锌硫电池示意图；

对上述电池进行恒流充放电测试，电流密度为50mA/g,图2为循环稳定性测试图，经过100次的循环后，该电池容量仍然可以达到200mAh/g。

实施例2

正极：采用单质硫作为主体活性材料，将硫粉利用高压反应釜负载到活性炭上，然后将硫正极、导电炭黑和粘结剂pvdf以8：1：1的质量比混合之后，涂敷于钛网表面，真空中烘干，裁成一定大小，得到正极。

负极：直接采用0.1mm锌箔。

酸性电解质：采用1mo l/L醋酸锌再利用硫酸将ph调节为1。

中性电解质：采用2mo l/L硫酸锌水溶液；

隔膜：聚芳醚类阴离子交换膜；

将正极电极片置于酸性电解质中，负极置于中性电解质中，中间加上隔膜，组装电池进行测试；在50mA/g电流密度下循环100周后仍然可以具有96％容量保持率。

实施例3

正极：采用单质硫作为主体活性材料，将硫粉利用高压反应釜负载到碳纳米管上，然后将硫正极、导电炭黑和粘结剂pvdf以8：1：1的质量比混合之后，涂敷于钛网表面，真空中烘干，裁成一定大小，得到正极。

负极：直接采用0.1mm锌箔。

酸性电解质：采用2mo l/L氯化锌锌再利用硫酸将ph调节为2。

中性电解质：采用2mo l/L硫酸锌水溶液；

隔膜：聚芳醚类阴离子交换膜；

将正极电极片置于酸性电解质中，负极置于中性电解质中，中间加上隔膜，组装电池进行测试；在50mA/g电流密度下循环100周后仍然可以具有95％容量保持率。

由此可见，本发明提出的双性电解液锌硫电池在比容量和循环稳定性方面有明显的优势，应用价值巨大。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于终端实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (7)

1.一种基于双性电解液的水系锌硫电池，其特征在于：

正极含硫；

负极为锌；正极电解液环境为酸性，负极所处电解液为中性，中间以阴离子交换膜作为隔膜；

所述正极为含硫的混合物，按照质量比计，50％-80％的硫、10％-15％的导电剂和10％-15％的粘结剂。

2.根据权利要求1所述的双性电解液的水系锌硫电池，其特征在于，所述硫正极为负载在碳基基底上的硫，碳基基底可以是碳纳米管、活性炭、生物质衍生碳的一种。

3.根据权利要求1所述的双性电解液的水系锌硫电池，其特征在于所述酸性电解液为含有锌盐和硫酸的混合溶液，其中锌盐可以为硫酸锌、醋酸锌、氯化锌中的一种，溶液ph值为1-3。

4.根据权利要求1所述的双性电解液的水系锌硫电池，其特征在于，所述中性电解液为硫酸锌、醋酸锌、氯化锌、三氟甲烷磺酸锌水溶液中的一种，浓度为1-5mol/L。

5.根据权利要求1所述的双性电解液的水系锌硫电池，其特征在于，阴离子交换膜可以是聚芳醚类、季胺化聚芴基醚、季胺化聚亚苯基、聚醚酮和聚苯基砜类的一种。

6.根据权利要求1所述的双性电解液的水系锌硫电池，其特征在于，锌负极可以是金属锌箔、也可以是锌粉混合物构成。

7.根据权利要求1所述的双性电解液的水系锌硫电池，其特征在于，所述双性电解质也可以为凝胶态电解质，组装仍需要阴离子交换膜阻隔。

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