[发明专利]一种高能量密度水溶液充放电电池

说明书

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种高能量密度水溶液充放电电池，进一步涉及以碱金属或其合金为负极、含溴或溴化物的水溶液为正极的高能量密度水溶液充放电电池。另外，还涉及到该充放电电池的应用。 

背景技术

锂离子电池的能量密度高、比功率大、循环性能好、无记忆效应、无污染等特点，具有很好的经济效益、社会效益和战略意义，成为目前最受瞩目的绿色化学电源(参见：吴宇平，戴晓兵，马军旗，程预江.《锂离子电池——应用与实践》.北京：化学工业出版社，2004年)。但是，该类型的锂离子电池具有如下缺点：(1) 由于采用石墨(理论容量为372 mAh/g)等材料作为负极材料，尽管循环性能得到了改善，但是远远低于金属锂的可逆容量3800 mAh/g，因此能量密度不高，无法满足纯电动汽车的要求。(2)锂离子电池对水分非常敏感，对组装环境非常苛刻，所以生产成本较高。而采用金属锂作为负极材料、有机溶液为电解质、嵌入化合物为正极的金属锂二次电池会存在如下问题：由于锂枝晶的形成，会穿透传统的多孔隔膜，造成负极和正极短路，从而产生严重的安全问题和使用寿命的终结。

最近发明的可充电锂//空气电池(参见Tao Zhang等，Journal of The Electrochemical Society, 2008年，第155卷，第A965页-A969页；Yonggang Wang, Haoshen Zhou，Journal of Power Sources 2010年，第195卷，第358页–第361页)，无论是采用无机的水溶液还是有机溶液为电解质，由于氧元素在-2和0价之间变化时电化学极化非常严重，因此充电电压和放电电压之间差异非常大，充放电的能量效率低；同时，空气中的杂质对可充电锂//空气电池的电化学性能尤其是容量和循环寿命影响非常严重。此外，对于使用有机电解液体系的可充电锂//空气电池，生成的产物Li₂O₂很容易将催化剂层堵住。尽管根据金属锂而言，能量密度非常高(约13000 Wh/kg)，但是根据电极材料的能量密度非常有限，仅为400 Wh/kg(参见：J.P. Zheng等发表在J. Electrochem. Soc. 2008年第155卷第A432页-第A437页一文)，其实际容量依然有限。采用以金属锂负极、含锂的嵌入化合物为负极的水溶液可充锂电池尽管其容量比相应的锂离子电池要高30%以上，但是实际能量密度还是无法超过300 Wh/kg。因此，作为电动汽车的电源充电一次后的行驶距离还是有限，无法与传统的内燃机汽车竞争。

更近公开的发明专利申请（王旭炯，曲群婷，刘丽丽，侯宇扬，吴宇平，名称：一种高能量密度充放电锂电池，中国发明专利: 201210195152.2，申请日期2012年6月14日）中，公开了一种高能量密度的水溶液充放电电池，其以碱金属或其合金为负极、以锂离子电池常见的正极材料为正极，负极侧的电解液为非水溶液电解质，正极侧为水溶液电解质，隔膜为能传递锂离子的固体电解质。尽管该电池体系的能量密度比锂离子电池要高，但是实际能量密度还是有限，不能超过350 Wh/kg。因此，作为电动汽车的电源，充电距离还是有限，同时用于电子产品时，使用时间有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高能量密度充放电电池，以克服锂离子电池和水溶液可充锂电池能量密度低以及金属锂//空气电池的实际容量有限、充放电能量效率不高等问题。

本发明提供的高能量密度充放电电池，由隔膜、负极、正极和电解质组成，其中：

(1) 所述隔膜为固体，且碱金属离子能够可逆通过该隔膜； 

(2) 所述负极含有碱金属，或含有碱金属之间的合金，或含有碱金属与其它金属组成的合金；

(3) 所述正极为含溴或溴化物的水溶液；

(4) 所述电解质分为负极侧的电解质和正极侧的电解质；负极侧的电解质为有机电解液、聚合物电解质或离子液体电解质，或它们的混合物；正极侧的电解质为含碱金属盐的水溶液或水凝胶。