[发明专利]一种高电压的镁充放电电池

说明书

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种高电压的镁充放电电池，本发明还涉及该镁充放电电池的应用。

背景技术

在化石能源日渐枯竭、环境污染日益严重、全球气候变暖的今天，能源和环境日益成为人类关注的两大问题。为了实现可持续发展，开发和利用新能源已成为世界各国的重要战略目标。其中，电化学能源因其能量转换效率与能量密度高、无噪声污染、可随意组合和移动的优点，成为最重要的研究课题之一。化学电源在高科技器件、绿色低能耗运输和可再生能源等方面得到了开发利用。锂电池的能量密度最大，因而被广泛研究和应用(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)。然而，由于金属锂的高度活泼性，锂电池的可靠性和安全性难以得到保证，尤其是大型动力锂二次电池仍存在诸多安全隐患。而且金属锂资源稀缺，价格昂贵。

Mg与Li具有许多相似性质，而且镁的自然资源储量丰富，价格更低廉，对环境无污染，理论比容量较大为2205 mAh/g（参见：沈建等，化学进展，2010年，第22卷，第515-521页），金属镁作为负极，表面不产生枝晶，安全性能得到大大提升，因此镁被认为是很有发展前景的高能量密度电池的负极材料。自从2000年以色列科学家Aurbach等提出新型镁二次电池体系 Mg | 0.125M Mg (AlCl₂BuEt)₂ /THF |MgxMo₆S₈ 以来（参见：Gregory T. D.等， Nature，2000年，第407卷，第724页-第727页），镁充放电电池作为一种廉价、环境友好及高安全性能的大容量二次电池体系受到人们广泛的关注（参见：Feng Zhenzhen等，Journal of The Electrochemical Society, 2006年, 第153卷， 第689页-第693页；NuLi Y. N.等，Journal of the Physical Chemistry C，2009年, 第113卷，第12594页-12597页）。而且，我国的镁资源非常丰富，居世界首位，具有开发镁充放电电池独特的优势（参见：师昌绪等，材料导报，2001年，第15卷，第5-6页）。

镁充放电电池的发展仍然受到诸多方面的制约：一方面，由于镁比较活泼，在绝大多数电解液中都会形成表面钝化膜，致使镁离子无法穿过，从而难以进行沉积和溶解，限制了其电化学活性。传统简单的离子化镁盐如MgCl₂、Mg(ClO₄)₂、Mg (CF₃SO₃)₂等又不能实现Mg的可逆沉积。格氏试剂衍生物系列已经成为当前镁二次电池研究的主流电解质，但也存在电化学窗口较窄，对集流体的腐蚀性等问题（参见John Muldoon等，Energy & Environmental Science，2012年, 第5卷, 第5941页-第5950页）。另一方面，二价镁离子的离子半径小、电荷密度大，溶剂化作用强，比Li⁺的嵌入要困难得多，而且Mg²⁺在嵌入材料中也不太容易移动，可供镁离子快速嵌入的基质材料很少（参见：E. Levi.等，Chemistry of Material, 2010年, 第22卷, 第860页–第868页），同时镁正极材料合成工艺复杂，成本较高，现有报导的镁正极材料工作电压(<2V)较低，比能量较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高电压的镁充放电电池，以克服镁充放电电池工作电压低、能量密度低、寻找和开发相配的电解液与正极材料体系困难、正极生产成本高等问题。

本发明提供的高电压的镁充放电电池，由隔膜、负极（负极集流体）、正极和电解质组成，其中：

(1) 所述隔膜为固体且锂离子能够可逆通过；

(2) 所述负极为金属镁或镁的合金，负极集流体为就金属铜、铝、银或它们的合金；

(3) 负极侧的电解质为现有所报导的镁充放电电池电解质：格式试剂及其衍生物、烷基镁铝配合物或有机含硼化合物的有机电解液、聚合物电解质、无机全固态电解质或离子液体电解质，或它们的混合物；

(4) 所述正极为锂离子电池常见正极材料；

(5) 正极侧的电解质为含锂盐的水溶液或水凝胶电解质。