CN117936777A - 一种水性有机阳极i2电池及其制备方法 - Google Patents
一种水性有机阳极i2电池及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117936777A CN117936777A CN202211262435.4A CN202211262435A CN117936777A CN 117936777 A CN117936777 A CN 117936777A CN 202211262435 A CN202211262435 A CN 202211262435A CN 117936777 A CN117936777 A CN 117936777A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- anode
- cathode
- aqueous
- electrolyte
- battery
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 44
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 63
- KJOLVZJFMDVPGB-UHFFFAOYSA-N perylenediimide Chemical compound C=12C3=CC=C(C(NC4=O)=O)C2=C4C=CC=1C1=CC=C2C(=O)NC(=O)C4=CC=C3C1=C42 KJOLVZJFMDVPGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 239000006183 anode active material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000006182 cathode active material Substances 0.000 claims abstract description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 22
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 claims description 15
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 14
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 claims description 14
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 11
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 claims description 9
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 8
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 7
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 4
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 4
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 claims description 4
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 2
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 claims description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 89
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 48
- PONZBUKBFVIXOD-UHFFFAOYSA-N 9,10-dicarbamoylperylene-3,4-dicarboxylic acid Chemical compound C=12C3=CC=C(C(O)=O)C2=C(C(O)=O)C=CC=1C1=CC=C(C(O)=N)C2=C1C3=CC=C2C(=N)O PONZBUKBFVIXOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 35
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 description 18
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 description 18
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 16
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical group [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 12
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 12
- 229910001414 potassium ion Inorganic materials 0.000 description 11
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 8
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 8
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 7
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 7
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- NPYPAHLBTDXSSS-UHFFFAOYSA-N Potassium ion Chemical compound [K+] NPYPAHLBTDXSSS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- CZLMUMZXIXSCFI-UHFFFAOYSA-N [Zn].[I] Chemical compound [Zn].[I] CZLMUMZXIXSCFI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 5
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 5
- 229940037179 potassium ion Drugs 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N Diethyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OCC OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 description 4
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 description 4
- UETZVSHORCDDTH-UHFFFAOYSA-N iron(2+);hexacyanide Chemical compound [Fe+2].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-] UETZVSHORCDDTH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000003273 ketjen black Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- CPKVUHPKYQGHMW-UHFFFAOYSA-N 1-ethenylpyrrolidin-2-one;molecular iodine Chemical compound II.C=CN1CCCC1=O CPKVUHPKYQGHMW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000012621 metal-organic framework Substances 0.000 description 3
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 3
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- UAYWVJHJZHQCIE-UHFFFAOYSA-L zinc iodide Chemical compound I[Zn]I UAYWVJHJZHQCIE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 1,4-benzoquinone Chemical compound O=C1C=CC(=O)C=C1 AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NAZODJSYHDYJGP-UHFFFAOYSA-N 7,18-bis[2,6-di(propan-2-yl)phenyl]-7,18-diazaheptacyclo[14.6.2.22,5.03,12.04,9.013,23.020,24]hexacosa-1(23),2,4,9,11,13,15,20(24),21,25-decaene-6,8,17,19-tetrone Chemical compound CC(C)C1=CC=CC(C(C)C)=C1N(C(=O)C=1C2=C3C4=CC=1)C(=O)C2=CC=C3C(C=C1)=C2C4=CC=C3C(=O)N(C=4C(=CC=CC=4C(C)C)C(C)C)C(=O)C1=C23 NAZODJSYHDYJGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 102100028292 Aladin Human genes 0.000 description 2
- 101710065039 Aladin Proteins 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical group [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N bromine Chemical compound BrBr GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000002915 carbonyl group Chemical group [*:2]C([*:1])=O 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000009831 deintercalation Methods 0.000 description 2
- BVQAWSJMUYMNQN-UHFFFAOYSA-N dipyridophenazine Chemical compound C1=CC=C2C3=NC4=CC=CC=C4N=C3C3=CC=CN=C3C2=N1 BVQAWSJMUYMNQN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012983 electrochemical energy storage Methods 0.000 description 2
- 238000000157 electrochemical-induced impedance spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000005837 enolization reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 2
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-M iodide Chemical compound [I-] XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- DCYOBGZUOMKFPA-UHFFFAOYSA-N iron(2+);iron(3+);octadecacyanide Chemical compound [Fe+2].[Fe+2].[Fe+2].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-] DCYOBGZUOMKFPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910003473 lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide Inorganic materials 0.000 description 2
- QSZMZKBZAYQGRS-UHFFFAOYSA-N lithium;bis(trifluoromethylsulfonyl)azanide Chemical compound [Li+].FC(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)F QSZMZKBZAYQGRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 2
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- VCCATSJUUVERFU-UHFFFAOYSA-N sodium bis(fluorosulfonyl)azanide Chemical compound FS(=O)(=O)N([Na])S(F)(=O)=O VCCATSJUUVERFU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- FQERWQCDIIMLHB-UHFFFAOYSA-N 1-ethyl-3-methyl-1,2-dihydroimidazol-1-ium;chloride Chemical compound [Cl-].CC[NH+]1CN(C)C=C1 FQERWQCDIIMLHB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BJCGXRYNVPWSMK-UHFFFAOYSA-N 2,11,20,29,37,38,39,40-octazanonacyclo[28.6.1.13,10.112,19.121,28.04,9.013,18.022,27.031,36]tetraconta-1,3,5,7,9,11,13,15,17,19(39),20,22,24,26,28,30(37),31,33,35-nonadecaene-6,7,15,16,24,25,33,34-octol Chemical compound OC1=CC2=C/3NC(\N=C4/N=C(/N=C5\N\C(=N/C6=N/C(=N\3)/C3=C6C=C(O)C(O)=C3)C3=CC(O)=C(O)C=C53)C3=C4C=C(O)C(O)=C3)=C2C=C1O BJCGXRYNVPWSMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HZNVUJQVZSTENZ-UHFFFAOYSA-N 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone Chemical compound ClC1=C(Cl)C(=O)C(C#N)=C(C#N)C1=O HZNVUJQVZSTENZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N Acrylamide Chemical compound NC(=O)C=C HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N Bromine atom Chemical compound [Br] WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910014568 C—O-M Inorganic materials 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 229910021579 Iron(II) iodide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013553 LiNO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021201 NaFSI Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910009819 Ti3C2 Inorganic materials 0.000 description 1
- PTFCDOFLOPIGGS-UHFFFAOYSA-N Zinc dication Chemical compound [Zn+2] PTFCDOFLOPIGGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YFXWODPYUNGUEE-UHFFFAOYSA-N [I].[Li] Chemical compound [I].[Li] YFXWODPYUNGUEE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HVCXHPPDIVVWOJ-UHFFFAOYSA-N [K].[Mn] Chemical compound [K].[Mn] HVCXHPPDIVVWOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 description 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229940064804 betadine Drugs 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052794 bromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 1
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 150000002085 enols Chemical class 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 230000003053 immunization Effects 0.000 description 1
- 238000002649 immunization Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- -1 indium iron cyanide Chemical compound 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 229940006461 iodide ion Drugs 0.000 description 1
- PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N iodine Chemical compound II PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- BQZGVMWPHXIKEQ-UHFFFAOYSA-L iron(ii) iodide Chemical compound [Fe+2].[I-].[I-] BQZGVMWPHXIKEQ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 238000004502 linear sweep voltammetry Methods 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 229910052961 molybdenite Inorganic materials 0.000 description 1
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 description 1
- YTVNOVQHSGMMOV-UHFFFAOYSA-N naphthalenetetracarboxylic dianhydride Chemical compound C1=CC(C(=O)OC2=O)=C3C2=CC=C2C(=O)OC(=O)C1=C32 YTVNOVQHSGMMOV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 238000006772 olefination reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- VVOPUZNLRVJDJQ-UHFFFAOYSA-N phthalocyanine copper Chemical compound [Cu].C12=CC=CC=C2C(N=C2NC(C3=CC=CC=C32)=N2)=NC1=NC([C]1C=CC=CC1=1)=NC=1N=C1[C]3C=CC=CC3=C2N1 VVOPUZNLRVJDJQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N potassium nitrate Chemical class [K+].[O-][N+]([O-])=O FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FJWLWIRHZOHPIY-UHFFFAOYSA-N potassium;hydroiodide Chemical compound [K].I FJWLWIRHZOHPIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 229960003351 prussian blue Drugs 0.000 description 1
- 239000013225 prussian blue Substances 0.000 description 1
- 150000004053 quinones Chemical class 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000001568 sexual effect Effects 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N sodium hypochlorite Chemical compound [Na+].Cl[O-] SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZIQRIAYNHAKDDU-UHFFFAOYSA-N sodium;hydroiodide Chemical compound [Na].I ZIQRIAYNHAKDDU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001251 solid state electrolyte alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 1
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001935 vanadium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
本发明提供一种水性有机阳极I2电池及其制备方法。所述水性有机阳极I2电池包括阳极、阴极和电解液，所述阳极包括阳极活性物质，所述阳极活性物质包括3,4,9,10‑苝四甲酰二亚胺，所述阴极包括阴极活性物质，所述阴极活性物质包括I2，所述电解液为水性电解液。本发明旨在改善I2‑阴极电池的寿命、能量密度及功率密度。
Description
技术领域
本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种水性有机阳极I2电池及其制备方法。
背景技术
近年来，可充电金属卤素电池由于具有高能量和高功率密度，在电化学储能领域受到极大关注。固态碘(I2)相对于液体溴和气态氯具有更好的可操作性和稳定性；且其具有高丰度50-60(g/Locean)、高理论容量(422mAh g-1)、高可逆性以及I0/I+的高理论氧化还原电位(与标准氢电极相比为1.07V)；此外，I2-阴极的I-/I0/I+的固-液转换能避免其他嵌入材料通常出现的电极崩溃问题。因此，I2作为一种有前景的水性电池阴极材料脱颖而出。目前在开发各种水性金属I2电池方面已取得了一些进展，例如FeI2、AlI2和ZnI2，然而，这些电池的金属阳极不可避免的枝晶生长和腐蚀会导致容量迅速衰减和短路；且漏出的碘阴离子物质与金属阳极形成电化学惰性络合物，会导致I2-阴极的不可逆并降低其使用寿命。因此，有必要提供具有更高寿命、能量密度和功率密度的I2-阴极电池。
发明内容
鉴于此，本发明的一方面提供一种水性有机阳极I2电池，包括阳极、阴极和电解液，所述阳极含阳极活性物质，所述阳极活性物质包括3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺，所述阴极含阴极活性物质，所述阴极活性物质包括I2，所述电解液为水性电解液。
在一些实施例中，所述电解液为饱和的KCl水溶液。
在一些实施例中，所述3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺与I2的质量比为4:1。
在一些实施例中，所述电解液为饱和的KCl与I2的混合水溶液。
本发明另一方面提供上述水性有机阳极I2电池的制备方法，包括以下步骤：
1)将3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺、炭黑和聚偏氟乙烯混合在N-甲基吡咯烷酮溶剂中并涂覆在石墨纸基底上，干燥得到阳极；
2)将I2和活性炭研磨混合，并通过水热反应制得阴极材料；
3)将炭黑和聚偏氟乙烯粘合剂与步骤2)的阴极材料混合在N-甲基吡咯烷酮溶剂中并涂覆在石墨纸基底上，干燥得到阴极；
4)将电解液、步骤1)所得的阳极以及步骤3)所得的阴极组装成电池。
在一些实施例中，步骤1)中所述3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺、炭黑和聚偏氟乙烯粘合剂的质量比为7:2:1。
在一些实施例中，以所述阴极材料的总质量计算，步骤2)得到的阴极材料中I2含量为47.2％。
在一些实施例中，步骤3)中阴极材料、炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为8:1:1。
在一些实施例中，步骤1)所得的阳极和步骤3)所得的阴极的平均质量负荷为1.0-1.3 mg cm-2。
在一些实施例中，步骤2)中水热反应温度为80℃，反应时间为4h。
与现有技术相比，本发明实施例提供的水性有机阳极I2电池具有超长的寿命(在40A g-1(94.8C)和极高的倍率耐受性(在160A g-1时为104mAh g-1)、高能量密度(在50420 Wkg-1时为434Wh kg-1)和高功率密度(在86Wh kg-1时为155072W kg-1)，并远远超过已公开文献的I2-阴极水性电池和大多数K+离子水性电池。
附图说明
图1为本发明实施例一的PTCDI电极在不同扫描速率下的CV曲线图。
图2为本发明实施例一的PTCDI电极可逆的K+存储反应的氧化还原机制示意图。
图3为本发明实施例一的PTCDI电极在三电极系统中的电容过程和扩散控制过程在不同扫描速率下的贡献率图。
图4为本发明实施例一的全电池在40A g-1的循环性能图。
图5为本发明实施例一的全电池在不同电流密度下的倍率性能图。
图6为本发明实施例一的全电池与已公开的水性I2-阴极电池和水性可充电K+全电池系统(ARKFB)的倍率性能对比图。
图7为本发明实施例一的全电池与已公开的电池放电电压高原的对比图。
图8为本发明实施例一的全电池与已公开的水性I2-阴极电池和ARKFB的Ragoneplots (功率密度与对应能量密度的对数关系)的对比图。
图9为本发明实施例一的全电池在不同扫描速率下电容过程和扩散控制过程的贡献率图。
图10为本发明实施例一的全电池与ZnI2全电池的自放电率对比图。
图11为PTCDII2单电池和级联电池的简单整体示意图。
图12为本发明实施例二的PTCDII2级联电池在不同扫描速率下在混合电解液中的CV 曲线图。
图13为本发明实施例二的PTCDII2级联电池在不同扫描速率下电容过程和扩散控制过程的贡献率图。
图14为本发明实施例二的PTCDII2级联电池在饱和KCl+I2(aq)的混合电解液中在60A g-1(142.2C)下的循环性能图。
图15为本发明实施例二的PTCDI阳极的初始SEM图以及在饱和KCl+I2(aq)的混合电解液中以40A g-1(94.8C)循环9200次后的SEM图。
图16为本发明实施例二的PTCDII2级联电池在饱和KCl+I2(aq)的混合电解液中的循环性能图，比容量根据实施例二的I2-阴极中I2的质量负载计算。
图17为本发明实施例二的PTCDII2级联电池在饱和KCl+I2(aq)的混合电解液中的循环性能和倍率性能图，比容量根据实施例二的I2-阴极中I2的质量负荷计算。
图18为本发明实施例二的PTCDII2级联电池与已公开的高压水性电池之间的工作电压范围对比图。
术语说明
除非另外说明，否则如本文使用的以下术语和短语具有以下含义：
“wt％”表示质量百分比。
“Ragone plots”表示功率密度与对应能量密度的对数关系。
“ARKFB”表示水性可充电K+全电池。
“aq”表示水溶液。
“M”表示体积摩尔浓度。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点能够更加清楚明了，以下将结合附图以及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应该清楚的是，此处所描述的具体实施例的作用仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。
化学品和材料的合成。所有材料都是购买和使用的，无需进一步处理。碘(I2；≥99.8％， Aladdin，China)、氯化钾(KCl；99％，Aladdin，China)、3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺(PTCDI； 95％，Alfa Aesar，America)和活性炭(AC；XFNANO，China)都是通过商业途径购买。
电化学表征。循环伏安法(CV)和线性扫描伏安法(LSV)测试和电化学阻抗谱(EIS)测量在电化学工作站(CHI760E，Chenhua，China)上进行。通过三电极系统(工作电极： KB电极；对电极：铂电极；参比电极：标准Ag/AgCl电极)确定水性电解液的电化学电势窗口。恒电流充电/放电(GCD)测量在电池测试系统(CT3002A，LANHE，中国)中进行。在CV测试期间进行了现场压力测试，以确定通过压力传感器(CYYZ11，Starsensor，中国)的H2和O2释放。比电流根据I2-阴极中I2的质量计算。比容量C(mAhg-1)计算如下：
C＝IΔt/3.6m
其中，I(A)是施加的电流，Δt(s)是相应的充电或放电时间，m(g)是I2-阴极电极中I2的质量。
实施例一
本实施例的水性有机阳极I2电池包括阳极、阴极和电解液，阳极包括阳极活性物质，阴极包括阴极活性物质。阳极活性物质包括PTCDI，阴极活性物质包括I2。其制备方法如下。
1)PTCDI阳极的制备
取PTCDI、科琴炭黑(KB)和聚偏氟乙烯(PVDF)粘合剂在N-甲基吡咯烷酮(NMP) 溶剂中以7:2:1的质量比均匀混合。搅拌4小时后，将混合物涂覆在石墨纸(GP)基底上，并在80℃真空下干燥12小时，得到平均质量负荷为1.0-1.3mg cm-2的PTCDI阳极。
在5mV s-1到45mV s-1的多个扫描速率下对PTCDI电极进行CV测试，结果如图1所示。随着扫描速率的增加，电极氧化还原峰的强度逐渐增加，且CV曲线保持相似的形状，证实了PTCDI电极出色的高倍率耐受性。
PTCDI具有单斜晶相，其叠层的晶面间距为0.393nm，大于石墨(0.335nm)的晶面间距，有利于K+在PTCDI晶体内的扩散。由于PTCDI的大平面间距离，PTCDI作为阳极活性物质，K+在其间的嵌入/脱嵌是高度可逆的。请参阅图2为K+在PTCDI中可逆存储反应的氧化还原机制的示意图。其中，PTCDI阳极的羰基(-C＝O)和烯醇(-C-O)基团之间的转换也是高度可逆的。
对本实施例的PTCDI阳极在三电极系统中以不同扫描速率测试电容过程和扩散控制过程的贡献率，结果如图3所示。在15mV s-1的扫描速率下，PTCDI电容控制的贡献率接近69.0％。此外，其电容控制的比例随着扫描速率的增加而增加，且在45mV s-1时能达到83.9％。说明在高工作电流密度下，K+离子的传输速度足够快。由于电容效应比体积晶格扩散能提供更多的电荷转移，因此有助于PTCDI电极在高工作电流密度下保持容量。
2)I2-阴极材料的制备
将等量的固态I2和AC通过研磨混合后密封在水热反应器中，在80℃下加热4小时。自然冷却后，得到了多孔的I2-阴极材料，其中I2为阴极活性物质。
3)I2-阴极的制备
将步骤2)中的I2-阴极材料、KB和PVDF粘合剂在NMP溶剂中以8:1:1的质量比均匀混合。搅拌4小时后，将混合物涂在GP基底上，并在40℃真空下干燥12小时。得到平均质量负荷为1.0-1.3mg cm-2的I2-阴极。
4)电池的制备
以10mL 25℃时饱和的KCl水溶液为电解液，以步骤1)所得的PTCDI阳极(1×1cm)为阳极，步骤3)所得的I2-阴极为阴极(1×1cm)组装成一个烧杯型PTCDII2全电池。两个电极之间的距离约为1厘米。考虑到I2(422mAh g-1)和PTCDI(137mAh g-1)的理论容量，采用了PTCDI:I2＝4:1的质量比。
与传统的金属I2电池系统相比，PTCDII2全电池在充分利用阳极方面表现出明显的优势。在充电/放电过程中，I-/I0/I+的氧化/还原反应发生在I2-阴极，而羰基的烯醇化/恢复和 K+嵌入/脱嵌发生在PTCDI阳极。因此，PTCDII2在饱和KCl水溶液中的全电池的化学方程式可描述为方程式(1-2)。
阴极：
阳极：
在GCD模式下在40A g-1研究了PTCDII2全电池的循环性能，并根据I2-阴极中的I2的质量计算了比容量。如图4所示，在92000次循环后，在40A g-1(94.8C)的条件下，本实施例的PTCDII2全电池达到了154mAh g-1的放电容量。92000次循环后，电池的理论比容量 (422mAhg-1)和初始比容量(363.4mAh g-1)保留百分比分别为36.5％和42.4％，每千次循环的衰减率分别为0.7％和0.6％。
这种超长的寿命和高倍率的高容量归功于对I-的惰性和PTCDI阳极的大平面间距的分层结构，以及PTCDI的大π共轭结构使得PTCDI阳极在高氧化电位下具有良好的稳定性。此外，醌(-C＝O)向醌盐(-C-O-M)的高度可逆的烯化有利于在反复循环中保持PTCDI阳极的结构稳定性，从而有利于全电池的循环性能。
如图5所示，研究了PTCDII2全电池在40A g-1到160A g-1的不同电流密度下的倍率性能图。在电流密度为40A g-1、70A g-1、100A g-1、130A g-1和160A g-1的情况下，PTCDII2全电池分别达到323mAh g-1、204mAh g-1、140mAh g-1、116mAh g-1和104mAh g-1的放电容量。值得注意的是，当电流密度从160A g-1变为40A g-1时，本实施例的全电池实现了322 mAh g-1的放电容量，这是初始比容量的99.7％，验证了全电池优异的倍率性能。
并将本实施例的全电池与已公开的I2-阴极电池和ARKFB(具体见图6及参考文献)的倍率性能作对比，结果如图6所示，本实施例的全电池倍率性能水平最高。
此外，对本实施例的PTCDII2全电池与已公开文献的电池(具体见图7及参考文件)的放电电压高原进行比较，结果如图7所示，其电压平稳性相当优于所有公开的水性可充电ZnI2、FeI2、AlI2、H2I2和大多数ARKFB。表明了本实施例的PTCDII2全电池在高能量输出方面具有良好的前景。
图8为本实施例的PTCDII2全电池与已公开的水性I2-阴极电池和ARKFB(具体见图8及参考文件)的Ragone plots的对比图。在50420W kg-1的功率密度下，本实施例全电池的能量密度为434Wh kg-1。在155072W kg-1的峰值功率密度下，本实施例的全电池也能保持86Wh kg-1的能量密度，可见，其能量密度和功率密度远超过已公开的I2-阴极的水性电池和大多数ARKFB。
图9为本实施例的全电池在不同扫描速率下电容过程和扩散控制过程的贡献率图，在 10mV s-1的扫描速率下，其电容控制的贡献接近53.3％。此外，随着扫描速率的增加而增加，本实施例的全电池电容控制的贡献在30mV s-1时达到72.1％，这意味着其具有出色的倍率性能。
在40A g-1(94.8C)充电至2.4V后，评估全电池(PTCDII2)的自放电率。并在1M KCl+1M ZnCl2混合电解液中构建了一个ZnI2全电池作为对照组，在40A g-1(94.8C)充电至1.8V后对其自放电率进行了评估。结果如图10所示，PTCDII2全电池的0.4V电压降需要78.2s，而ZnI2全电池的相同电压降所需的时间为27.6秒。也就是说，PTCDII2全电池的自放电率与ZnI2全电池相比降低到35.3％。
由于PTCDI阳极对I-的内在惰性，以及I-/I0/I+在饱和的KCl水溶液中的快速转换，因此本实施例的全电池具有超长的寿命(在40A g-1(94.8C)和极高的倍率耐受性(在 160Ag-1时为104mAh g-1)、高能量密度(在50420W kg-1时为434Wh kg-1)和高功率密度(在86Whkg-1时为155072W kg-1)，并在此方面远超过已公开的I2-阴极水性电池和大多数公开的K+离子水性电池。
实施例二
本实施例的水性有机阳极I2电池制备方法与实施例一的制备方法一样，区别在于步骤 4)以10mL饱和的KCl+I2混合水溶液作为电解液，组装了一个烧杯型PTCDII2全电池。其中饱和的KCl+I2的混合水溶液指在25℃时，KCl和I2均为饱和状态的水溶液。其制备方法如下。
25℃时，取20mL饱和KCl水溶液(摩尔浓度约为3.4摩尔每升)，然后在400r/min 的磁力搅拌条件下，往饱和KCl水溶液中添加20mg的固体碘单质，由于碘单质易升华，此处固体碘单质的量为稍微过量，目的是确保混合溶液中KCl和I2均处于饱和的状态。最后密封继续磁力搅拌2个小时，即可得到饱和的KCl+I2(aq)的混合水溶液。
本实施例的PTCDII2全电池除了作为单电池在饱和KCl水溶液中稳定工作外，还可以作为级联电池在饱和的KCl+I2(aq)混合水溶液中稳定工作。单电池和级联电池的简易示意图如图11所示。PTCDII2全电池包括一个I-/I0I0/I+对称电池[公式(3-4)]和一个 PTCDII2单电池[公式(5-6)]。
对称电池：阴极：
阳极：
单电池：阴极：
阳极：
可见，与金属I2电池中将I2限制在阴极以阻止其进入电解液的策略不同(事实上这也不能完全阻止I2进入电解液)，在PTCDII2全电池中不用考虑I2泄露的问题，反而将 I2引入电解液对PTCDII2电池是有利的，因为这会导致在KCl+I2(aq)混合电解液中自行构建一个级联电池。级联电池将两个或更多的电池反应集成在一个电池内，能避免外部集成所需的非电化学活性连接，提高反应室的利用率，并能有效地提高能量输出，因此具有明显的优势。
在3mV s -1、6mV s -1、10mV s -1、12mV s -1、和15mV s-1扫描速率下测试了本实施例制备的PTCDII2级联电池的CV曲线，以评估其动力学行为。结果如图12所示，5条CV 曲线显示出相似的形状，证实了级联电池具有出色的高倍率耐受性。
图13为本实施例二的PTCDII2级联电池在不同扫描速率下电容过程和扩散控制过程的贡献率图。本实施例的PTCDII2级联电池在高扫描速率下显示出较高的电容贡献，意味着其具有出色的倍率性能。
图14为本实施例PTCDII2级联电池在60A g-1(142.2C)下的循环性能图，其在更高的电流密度60A g-1下达到了105000次循环，表现出了出色的循环稳定性。
图15为本实施例的PTCDI阳极的初始SEM图以及在饱和KCl+I2(aq)的混合电解液中以40A g-1(94.8C)循环9200次后的SEM图。可见循环9200次后，PTCDI阳极的形态和颗粒大小与原始状态下的阳极几乎相同，进一步验证了PTCDI对I-免疫的内在优势和卓越的结构稳定性。
图16为本实施例的PTCDII2级联电池在饱和KCl+I2(aq)混合电解液中的循环性能图。比容量是根据I2-阴极中I2的质量负载计算的。在6000次循环后，在40A g-1的情况下，本实施例的PTCDII2级联电池提供了625mAh g-1的高放电容量。
图17为本发明实施例二的PTCDII2级联电池在饱和KCl+I2(aq)混合电解液中的循环性能和倍率性能图。比容量根据实施例二I2-阴极中I2的质量负荷计算。在电流密度为40A g-1、70A g-1、100A g-1、130A g-1和160A g-1时，该级联电池放电容量分别为574mAh g-1、500mAh g-1、376mAh g-1、285mAh g-1和264mAh g-1。值得注意的是，当电流密度从160A g-1变为40A g-1时，本发明实施例PTCDII2级联电池提供了572mAh g-1的放电容量，其值是最初40Ag-1时的99.7％，表明了超强的倍率性能。
图18为本发明实施例二的PTCDII2级联电池与已公开的高压水性电池(具体见图18及参考文献)之间的工作电压范围对比图。可见本实施例的级联电池的工作电压范围相当大。与公开的I2-阴极单电池不同，本实施例在饱和KCl+I2(aq)混合电解液中成功构建PTCDII2级联电池，证明了级联电池在I2-电池中的可行性，且充分利用了I2-阴极泄漏的I2在电解液中作为I-/I0I0/I+对称电池，能输出更多的能量。
本实施例以饱和的KCl+I2(aq)的混合水溶液作为电解液，将PTCDII2电池演化成级联形式，使得电池电压进一步达到2.5V，而无需采用水包盐或聚合物添加剂；通过用有机化合物代替金属阳极，为高性能的I2-阴极水性电池的研究提供了新思路；此外，PTCDII2级联电池的概念不仅丰富了具有高性能的水性卤素电池家族的种类，也为构建基于硫磺电极的高性能电池系统铺平了一条新路。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
其中对照测试中引用的已公开电池如下：
Ref.3电池的正极为I2/PAC，负极为锌片，电解液为ZnCl2,LiCl,ACN(摩尔比为19：19：8)混合水溶液，其制备方法参考文献Zou,Y.et al.A four-electron Zn-I2 aqueousbattery enabled by reversible I-/I2/I+conversion.Nat.Commun.12,170(2021)。
Ref.5电池的正极为Ti3C2I2(CuI刻蚀MXenes得到)，负极为锌片，电解液为2MZnCl2和1M KCl混合溶液，其制备方法参考文献Li,X.et al.Activating the I0/I+redoxcouple in an aqueous I2-Zn battery to achieve a high voltage plateau.EnergyEnviron.Sci.14, 407-413(2021)。
Ref.6正极为I2-Nb2CTx(电镀得到)，负极为锌片，电解液为1M ZnSO4，其制备方法参考文献Li,X.et al.Enhanced redox kinetics and duration of aqueous I2/I-conversion chemistryby MXene confinement.Adv.Mater.33,2006897(2021)。
Ref.14正极为I2/ACF(solution adsorption method，类似Ref.3),负极为锌片，电解液为1M ZnSO4，其制备方法参考文献Pan,H.et al.Controlling solid-liquidconversion reactions for a highly reversible aqueous zinc-iodine battery.ACSEnergy Lett.2, 2674-2680(2017)。
Ref.16正极为I2/N-HPC(两者固相混合加热至130摄氏度)，负极为铁片，电解液为1M FeSO4，其制备方法参考文献Bai,C.,Jin,H.,Gong,Z.,Liu,X.&Yuan,Z.A high-poweraqueous rechargeable Fe-I2 battery.Energy Stor.Mater.28,247-254(2020)。
Ref.17正极为I2@ZIF-8-C(两者固相混合加热至120摄氏度)，负极为铝片，电解液为9M LiTFSI+1M AlCl3，其制备方法参考文献Yang,S.et al.High-rate aqueousaluminum-ton batteries enabled by confined iodine conversion chemistry.SmallMethods 5, 2100611(2021)。
Ref.18负极为锌片，阴极中含有0.5M ZnSO4、1M LiI和0.1M I2，阳极中含有0.5MZnSO4和0.5M Li2SO4，其制备方法参考文献Yang,H.et al.A metal-organic framework asa multifunctional ionic sieve membrane for long-life aqueous zinc-iodidebatteries.Adv. Mater.32,2004240(2020)。
Ref.19的正极碘/氮掺杂多孔碳(I2–NPC-900)，负极为锌片，电解液为1M ZnSO4，其制备方法参考文献Yu,D.,Kumar,A.,Tuan Anh,N.,Nazir,M.T.&Yasin,G. High-voltageand ultrastable aqueous zinc-iodine battery enabled by N-doped carbonmaterials: Revealing the contributions of nitrogen configurations.ACSSustain.Chem.Eng.8, 13769-13776(2020)。
Ref.20的正极为Co[Co1/4Fe3/4(CN)6]/I2。负极为锌片。电解液为0.4g丙烯酰胺加入3mL 2M ZnSO4溶液，其制备方法参考文献Ma,L.et al.Electrocatalytic iodinereduction reaction enabled by aqueous zinc-iodine battery with improved powerand energy densities.Angew. Chem.Int.Ed.60,3791-3798(2021)。
Ref.21的正极为ZC-mK2CO3@I2，负极为锌片，电解液为含有0.1M ZnI2作为添加剂的2M Zn(CF3SO3)2，其制备方法参考文献Chen,C.et al.High-energy density aqueouszinc-iodine batteries with ultra-long cycle life enabled by the ZnI2additive.ACS Sustain. Chem.Eng.9,13268-13276(2021)。
Ref.36分别使用双吡啶吩嗪(DPPZ)和铁氰化铟(InHCF)作为阳极和阴极，使用含有0.05M H2SO4和1M KCl(pH＝1)的混合溶液作为电解质，其制备方法参考文献Qiao, J.etal.Long-life aqueous H+/K+dual-cation batteries based on dipyridophenazine//hexacyanoferrate electrodes.ACS Appl.Energy Mater.4,4903-4909(2021)。
Ref.37采用环保型1,4,5,8-萘四羧酸二酐衍生聚酰亚胺(PNTCDA)作为阳极，柏林绿 (FeHCF)作为阴极，电解液为饱和硝酸钾溶液，其制备方法参考文献Wang,M.,Wang, H.,Zhang,H.&Li,X.Aqueous K-ion battery incorporating environment-friendlyorganic compound and berlin green.J.Energy Chem.48,14-20(2020)。
Ref.38以KTi2(PO4)3/C晶体纳米粒子为阳极材料，六氰亚铁为阴极，电解液为21MKCF3SO3。其制备方法参考文献Li,Y.et al.An ultra-long life aqueous full K-ionbattery.J. Mater.Chem.A 9,2822-2829(2021)。
Ref.39采用普鲁士蓝钾(KPB)作为双极性材料，电解液为1.0M KCl水溶液，制备方法参考文献Lu,K.,Zhang,H.,Gao,S.,Cheng,Y.&Ma,H.High rate and stable symmetricpotassium ion batteries fabricated with flexible electrodes and solid-stateelectrolytes.Nanoscale 10,20754-20760(2018)。
Ref.40正极为δ-K0.5V2O5(KVO)，负极为PTCDI,电解液：a 22M KCF3SO3，其制备方法参考文献Liang,G.et al.Reconstructing vanadium oxide with anisotropic pathwaysfor a durable and fast aqueous K-ion battery.ACSNano 15,17717-17728(2021)。
Ref.42为硬币型半电池(CR2032)，以PTCDI电极作为工作电极，K金属作为对电极和参比电极，制备方法参考文献Bai,Y.et al.Perylenetetracarboxylic diimide as ahigh-rate anode for potassium-ion batteries.J.Mater.Chem.A 7,24454-24461(2019)。
Ref.43正极为MoS2/石墨烯；负极为锌片，电解液为3M Zn(CF3SO3)2，其制备方法参考文献Li,S.et al.Sandwich-like heterostructures of MoS2/graphene withenlarged interlayer spacing and enhanced hydrophilicity as high-performancecathodes for aqueous zinc-ion batteries.Adv.Mater.33,2007480(2021)。
Ref.44主要引用参考文献Chao,D.&Fan,H.J.Intercalation pseudocapacitivebehavior powers aqueous batteries.Chem 5,1359-1361(2019)，对于电容效应的解读。
Ref.45主要引用此文章参考文献Chao,D.et al.Array of nanosheets renderultrafast and high-capacity Na-ion storage by tunablepseudocapacitance.Nat.Commun.7,12122(2016)对电容效应的解读。
Ref.46以掺杂多碘的聚苯胺(PANI-I2)作为ZIB阴极，负极：锌片；电解液为：2MZnSO4，其制备方法参考文献Zeng,X.et al.Anchoring polyiodide to conductivepolymers as cathode for highperformance aqueous zinc-iodine batteries.ACSSustain.Chem.Eng.8, 14280-14285(2020)。
Ref.47用活性炭(AC)作为阴极物质，低成本玻璃纤维作为分离器，Pt/C作为模拟H2阳极。电解液为添加1.2m KH2PO4和K2HPO4的1m KI中性电解质溶液，其制备方法参考文献Zhu,Z.,Meng,Y.,Cui,Y.&Chen,W.An ultrastable aqueous iodine-hydrogen gasbattery.Adv.Funct.Mater.31,2101024(2021)。
Ref.48以PTCDI电极作为工作电极，Na金属作为对电极和参比电极，所用电解质(Solvonic，99％)为碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)1:1(v/v)混合物中的1M NaFSI(双(氟磺酰基)酰亚胺钠)，其制备方法参考文献Liebl,S.et al.Perylenetetracarboxylicdiimide as diffusion-less electrode material for high-rate organic Na-ionbatteries.Chem.Eur.J. 26,17559-17566(2020)。
Ref.49以六氰亚铁酸锰钾K1.82Mn[Fe(CN)6]0.96·0.47H2O为阴极，PTCDI为阳极，21M KCF3SO3作为电解质，其制备方法参考文献Ge,J.,Fan,L.,Rao,A.M.,Zhou,J.&Lu,B.Surface-substituted prussian blue analogue cathode for sustainable potassium-ion batteries.Nat. Sustain.5,225-234(2022)。
Ref.50正极为活性碳布/聚合物-碘(ACC/PVP–I2)复合材料，负极为锂片；电解质为 1M LiN(CF3SO2)2(LiTFSI)，其制备方法参考文献Meng,Z.et al.Ultra-stable binder-free rechargeable Li/I2 batteries enabled by"betadine”chemicalinteraction.Chem.Commun.54, 12337-12340(2018)。
Ref.51以I2(Fe2–O8–PcCu/I2)复合的Fe2[(2,3,9,10,16,17,23,24-八羟基酞菁)Cu]MOF 用作阴极，电解液为碳酸乙烯和碳酸二乙酯(EC/DEC)中的1M NaClO4(体积比为1:1)， Nafoil用作对电极/参比电极，其制备方法参考文献Wang,F.et al.Fully conjugatedphthalocyanine copper metal-organic frameworks for sodium-iodine batterieswith long-time-cycling durability.Adv.Mater.32,1905361(2020)。
Ref.52采用独立的I2/C复合阴极、金属K阳极，电解液为0.5M六氟磷酸钾(KPF6)溶于碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)(体积比1:1)，其制备方法参考文献
Lu,K.et al.Rechargeable potassium-ion batteries enabled by potassium-iodine conversion chemistry.Energy Stor.Mater.16,1-5(2019)。
Ref.53以I2-石墨烯复合为阴极，锂作为阳极，0.2M的LiNO3作为电解质，其制备方法参考文献Sun,C.et al.Ti3C2Tx MXene interface layer driving ultra-stablelithium-iodine batteries with both high iodine content and mass loading.ACSNano 14,1176-1184(2020)。 Ref.54电池以ACC/I2阴极，以镁为阳极，其制备方法参考文献Tian,H.et al.High power rechargeable magnesium/iodine batterychemistry.Nat.Commun.8,14083(2017)。
Ref.55以PVP-I2阴极，负极为Al，电解液由AlCl3与1-乙基-3-甲基咪唑氯化物(EMIC) 以1.3:1的摩尔比混合制成，其制备方法参考文献Tian,H.,Zhang,S.,Meng,Z.,He,W.& Han,W.-Q.Rechargeable aluminum/iodine battery redox chemistry in ionicliquid electrolyte. ACS Energy Lett.2,1170-1176(2017)。
Ref.56以性炭封装的I2(I2@C-50)阴极，负极为锌片，电解液为2M Zn(CF3SO3)2，其制备方法参考文献Li,W.,Wang,K.&Jiang,K.A high energy efficiency and long lifeaqueous Zn-I2 battery.J.Mater.Chem.A 8,3785-3794(2020)。
Ref.57用炭黑复合材料作为阴极，金属锌箔或铜箔作为阳极，用乙二醇配制1.5MKI 作为电解液，制备方法参考文献Li,H.,Li,M.,Zhou,X.&Li,T.A novel rechargeableiodide ion battery with zinc and copper anodes.J.PowerSources 449,227511(2020)。
Ref.58以NiHCF作为工作电极，Pt对电极，Ag/AgCl参比电极，1M KNO3或1M NaNO3作为电解液，其制备方法参考文献Wessells,C.D.,Peddada,S.V.,Huggins,R.A.& Cui,Y.Nickel hexacyanoferrate nanoparticle electrodes for aqueous sodium andpotassium ion batteries.Nano Lett.11,5421-5425(2011)。
Ref.59为Ti(SO4)2，其制备方法参考文献Xu,Y.,Xie,C.,Li,T.&Li,X.A highenergy density bromine-based flow battery with two-electron transfer.ACSEnergy Lett.7, 1034-1039(2022)。
Ref.60阳极为镁箔，阴极为PTO(或S或P14AQ)，电解液为0.5mol kg-1 Mg(CB11H12)2，其制备方法参考文献Dong,H.et al.High-power Mg batteries enabled byheterogeneous enolization redox chemistry and weakly coordinatingelectrolytes.Nat.Energy 5, 1043-1050(2020)。
Ref.61阴极：S，阳极：PbO2，电解质：0.5M Pb(NO3)2，制备方法参考文献Xu,C.etal. Synergistic dual conversion reactions assisting Pb-S electrochemistry forenergy storage.P.Nati. Acad.Sci.USA.119,e2118675119(2022)。
Claims (10)
1.一种水性有机阳极I2电池，包括阳极、阴极和电解液，其特征在于，所述阳极包括阳极活性物质，所述阳极活性物质包括3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺，所述阴极包括阴极活性物质，所述阴极活性物质包括I2，所述电解液为水性电解液。
2.根据权利要求1所述的水性有机阳极I2电池，其特征在于，
所述电解液为25℃下饱和的KCl水溶液。
3.根据权利要求2所述的水性有机阳极I2电池，其特征在于，
所述3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺与I2的质量比为4:1。
4.根据权利要求1所述的水性有机阳极I2电池，其特征在于，
所述电解液为25℃下饱和的KCl与I2的混合水溶液。
5.一种权利要求1-4任一项所述的水性有机阳极I2电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺、炭黑和聚偏氟乙烯混合在N-甲基吡咯烷酮溶剂中并涂覆在石墨纸基底上，干燥得到阳极；
2)将I2和活性炭研磨混合，并通过水热反应制得阴极材料；
3)将炭黑和聚偏氟乙烯与步骤2)所得的阴极材料混合在N-甲基吡咯烷酮溶剂中并涂覆在石墨纸基底上，干燥得到阴极；
4)将电解液、步骤1)所得的阳极以及步骤3)所得的阴极组装成电池。
6.根据权利要求5所述的水性有机阳极I2电池的制备方法，其特征在于，
步骤1)中所述3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺、炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为7:2:1。
7.根据权利要求5所述的水性有机阳极I2电池的制备方法，其特征在于，
以所述阴极材料的总质量计算，步骤2)得到的阴极材料中I2含量为47.2％。
8.根据权利要求5所述的水性有机阳极I2电池的制备方法，其特征在于，
步骤2)中水热反应温度为80℃，反应时间为4h。
9.根据权利要求5所述的水性有机阳极I2电池的制备方法，其特征在于，
步骤3)中阴极材料、炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为8:1:1。
10.根据权利要求5所述的水性有机阳极I2电池的制备方法，其特征在于，
步骤1)所得的阳极和步骤3)所得的阴极的平均质量负荷为1.0-1.3mg cm-2。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211262435.4A CN117936777A (zh) | 2022-10-14 | 2022-10-14 | 一种水性有机阳极i2电池及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211262435.4A CN117936777A (zh) | 2022-10-14 | 2022-10-14 | 一种水性有机阳极i2电池及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117936777A true CN117936777A (zh) | 2024-04-26 |
Family
ID=90754403
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211262435.4A Pending CN117936777A (zh) | 2022-10-14 | 2022-10-14 | 一种水性有机阳极i2电池及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117936777A (zh) |
-
2022
- 2022-10-14 CN CN202211262435.4A patent/CN117936777A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wu et al. | Electrode and electrolyte regulation to promote coulombic efficiency and cycling stability of aqueous zinc-iodine batteries | |
| Bin et al. | The development in aqueous lithium-ion batteries | |
| US9972867B2 (en) | Cosolvent electrolytes for electrochemical devices | |
| Yao et al. | 5, 7, 12, 14-Pentacenetetrone as a high-capacity organic positive-electrode material for use in rechargeable lithium batteries | |
| Lee et al. | Capacity retention of lithium sulfur batteries enhanced with nano-sized TiO 2-embedded polyethylene oxide | |
| KR101638595B1 (ko) | 레독스 플로우 전지 | |
| EP2642577B1 (en) | Positive electrode active material for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery including positive electrode active material | |
| ParansáParanthaman | A high performance hybrid battery based on aluminum anode and LiFePO 4 cathode | |
| US9525197B2 (en) | Stable non-aqueous electrolyte promoting ideal reaction process in rechargeable lithium-air batteries | |
| JP2021510904A (ja) | 再充電可能な金属ハロゲン化物バッテリー | |
| Zhu et al. | A high-performance aqueous iron–hydrogen gas battery | |
| CN105047916A (zh) | 应用铜/石墨烯改善磷酸铁锂电化学性能的方法 | |
| Guerfi et al. | High rechargeable sodium metal-conducting polymer batteries | |
| JP2003242964A (ja) | 非水電解質二次電池 | |
| JP5215146B2 (ja) | リチウム空気二次電池及びリチウム空気二次電池の製造方法 | |
| CN116111084A (zh) | 一种正极材料及其制备方法、正极极片、电池和电子设备 | |
| Wang et al. | Regulating surface chemistry of separator with LiF for advanced Li-S batteries | |
| JP7174863B2 (ja) | 二次電池及び二次電池を備える装置 | |
| CN108565444A (zh) | 一种镍钴铝酸锂复合正极材料以及制备方法 | |
| CN111785897A (zh) | Pp/go/kpw功能性隔膜及其在锂-硫电池中的应用 | |
| CN112103482A (zh) | 稀土金属或过渡金属掺杂的磷酸钛锂/碳复合材料及其制备方法和应用 | |
| WO2015082711A1 (en) | Alkali ion battery and method for producing the same | |
| CN117936777A (zh) | 一种水性有机阳极i2电池及其制备方法 | |
| CN115051030B (zh) | 一种电池电解液及锂离子电池 | |
| CN114497539B (zh) | 基于亚铁氰化铜正极和吩嗪类有机物负极的水系可充电电池 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |