CN1870335A - 基于溴离子传导的新型储能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明属电化学技术领域，具体涉及一种基于溴离子传导的新型储能电池。该电池的铝、镁等金属作为工作电极，以碳作为参比电极，以含溴的乙睛溶液加入饱和的KBr作为电解液。在这个基于溴离子传导的无水体系中，铝，镁等金属电极都显示出非常高的电化学活性，具有良好的放电行为，放电密度在100～101mA/cm2，放电容量在100~300mAh/g。
Description
技术领域
本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种新型储能电池。
背景技术
便宜，环境友好且具有高能量密度的电化学储存装置是会被广泛应用的。从电化学原理上，溴与各种金属分别作为正负电极都能获得电势，组成电池。如：铝镁在理论上作为正极材料分别有2980Ah/Kg和2206Ah/Kg的高容量，与标准氢电极相比，具有非常低的电势(分别为-1.66V和-2.37VvsSHE)，基于铝镁的电池是非常吸引人的。基于此二者的电池的研究已经很广泛。但是，在有水的体系中，铝镁的侵蚀和氢气的释放是无可避免的。在无水体系中，Al3+，Mg2+离子要穿过氧化层迁移到电解液中是很缓慢的，所以铝镁电极表现出动力学上的迟缓和不活泼性。这些原因制约了它们的应用。作为比较，不管是一次性的锂电池或者是可充电的锂电池的发展都很迅速，部分原因是由于锂离子能够快速传导的特性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于溴离子传导的储能电池，与以前介绍过的靠金属阳离子来传导的铝，镁等电池体系不同，溴离子扮演了这个传导者的角色，在无水的铝，镁等金属一次性电池中，它也能产生高电压和适度的容量性能。
本发明首次发现了含溴(Br)的非水溶液的储能体系，铝，镁等金属具有非常好的电化学活性，这些金属能够与溴组成储能电池。
本发明中提出的储能电池，其结构如附图1，由金属电极，惰性的碳电极和含溴的非水溶液组成。其中含溴的非水溶液作为电解质溶液，由含溴的乙睛(CH3CN)溶液中加入饱和的KBr组成。一般地，KBr在乙睛中的浓度大于0.01mol/L即达到饱和。其中，在乙睛(CH3CN)中KBr能够提供移动的Br-离子。Br-离子与金属发生电化学反应，生成金属溴化物。非水溶液能够避免金属离子与水的反应。
本发明中，金属电极M，其材料可以是铝或镁，也可以采用其它金属材料，如Li、Cu，Fe，Ni，Zn，Cr，V，Mn等，都具有很好的放电行为。
本发明提出的采用非水溶液的金属与溴电池的制备方法如下：Al，Mg等金属片M作为一个工作电极，碳片作为参比电极，含溴的无水乙睛(CH3CN)中放入饱和KBr作为电解液，两个电极都浸没在此溶液中，构置成M/Br2+KBr+CH3CN/C电池。连接碳电极和金属电极即得电能。
本发明中电池的测试LAND电池测试系统(CT2001A，武汉金诺电子有限公司)进行。放电条件：在室温下，从电池的开路电位到0.1V。
本发明中的非水溶液下金属与溴电池具有很好的放电行为。如：铝溴电池和镁溴电池，可在100～101mA/cm2放电，放电电位分别在1.1V和2.2V以上，它们的放电电位比理论电位低03～0.7V，显示了极化的存在。在金属铝和镁过量下，以溶液中溴的质量计算，电池的放电容量100~300mAh/g。
电池的交流阻抗谱的测试采用电化学工作站(CHI660A，上海辰华仪器有限公司)。测试发现在放电过程中，交流阻抗是逐渐增加的。这显示了在金属电极的电解质生长的过程。
本发明中在非水溶液下铝溴电池和镁溴电池，经过放电完毕后，扫描电子显微镜(SEM，CambridgeS-360，美国)用于观测金属薄膜在反应前后的形貌，发现金属表面发生了变化，有新的膜层在金属的表面。
本发明中金属在电化学反应后的结构由X-射线衍射仪(Rigata/Max-C)确定。X-射线衍射图谱表明得到的金属溴化物形成。如镁溴电池在放电完毕后，XRD证实了在金属镁的表面有溴化镁的存在。
本发明中，在非水溶液下，铝，镁等金属都可以与溴结合生成有效的能量储存体系。本发明表明阴离子传导体系(与现在的以阳离子传导的电池相比)也是一种提供能量储存的体系。而且，金属溴化物是溴离子导体。
附图说明
图1在含溴的非水溶液中金属与溴电池的结构示意图。
图2Al/KBr+CH3CN+Br2/C电池的放电曲线。
图3Mg/KBr+CH3CN+Br2/C电池的放电曲线。
图中标号：1为金属电极，2为碳电极，3为电解液。
具体实施方式
实施例1
一次性的Al/Br2电池：无水溶液包括10mlCH3CN+2.1gKBr+0.053mlBr(99.5％)，此溶液包含了活性Br2。铝片作为工作电极，碳片作为参比电极。在室温下以LandBT1-40电池测试系统测试电池的放电过程。交流阻抗是用CHI660电化学工作系统在0.01-1M的频率范围内于室温下测试并记录。如附图1所示，放电平台在1.1V以上，在放电电流密度4mA/cm2下，放电容量可达210mAh/g.
交流阻抗谱的测试结果显示：在放电过程中，交流阻抗是逐渐增加的。这显示了在金属Al电极上电解质生长的过程。
XRD的结果证实了在金属Al表面上AlBr3的存在。
SEM显示了金属Al的形貌发生了明显的变化。
实施例2
一次性的Mg/Br2电池：无水溶液包括10mlCH3CN+3.5gKBr+0.033mlBr(99.5％)，此溶液包含了活性Br2。镁片作为工作电极，碳片作为参比电极。在室温下以LandBT1-40电池测试系统测试电池的放电过程。如附图2所示，Mg/Br2电池放电平台在2.1V以上，在放电电流密度4mA/cm2下，放电容量可达220mAh/g.
交流阻抗谱的测试结果显示：在放电过程中，交流阻抗是逐渐增加的。这显示了可能在金属Mg电极上电解质生长的过程。
XRD的结果证实了在金属Mg表面上MgBr2的存在。
SEM显示了金属Mg的形貌发生了明显的变化。
Claims (2)
1、一种基于溴离子传导的储能电池，其特征在于由金属电极、碳电极和含溴的非水溶液组成；其中，含溴的非水溶液由含溴的乙睛溶液中加入饱和的KBr组成，KBr在乙睛中的浓度大于0.01mol/L；金属电极的材料为铝、锂、镁、铜、铁、镍、锌、铬、钒或锰。
2、一种基于溴离子传导的储能电池的制备方法，其特征在于具体步骤如下：将金属片M作为工作电极，碳片作为参比电极，含溴的无水乙睛加入饱和KBr作为电解液；将两个电极都浸没在电解液中，即构成M/Br2+KBr+CH3CN/C电池，其中金属M为铝、锂、镁、铜、铁、镍、锌、铬、钒或锰。
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|---|---|---|---|---|
| CN102640346A (zh) * | 2009-10-23 | 2012-08-15 | 红流私人有限公司 | 用于流动电解液电池的重组器 |
| CN103326072A (zh) * | 2013-06-26 | 2013-09-25 | 复旦大学 | 一种高能量密度水溶液充放电电池 |
| CN110957467A (zh) * | 2019-12-17 | 2020-04-03 | 大连理工大学 | 一种溴离子电池 |
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2006
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