[发明专利]一种水系可充放电池

说明书

技术领域

本发明涉及电池领域，更具体地涉及一种水系可充放电池。

背景技术

随着科技、经济和社会的发展，能源和环境问题越来越受到关注，能源方面需求持续暴涨，化石能源的短缺和对环境造成的破坏使关注点转向了风能、太阳能这些可再生资源，然而这些可再生能源受天气及时间段的影响较大，具有明显的不稳定、不连续和不可控等特点，需要开发和建设配套的电能储存(储能)装置来保证发电、供电的连续性和稳定性。因此，大规模储能技术是大力发展太阳能、风能等可再生能源利用和智能电网的关键。在所有的储能技术中，电池可以实现化学能与电能之间的高效转换，是一种最佳的能量储存技术。二次可充电池是目前使用最广泛的一种储能方式。与其它储能方式相比，电化学储能能够适应不同的电网功能需要，在风电、光电等的集成并网方面尤其具有优势。对于可充电池储能技术的推广方面来说，存在这两大挑战。第一是开发具有高电压和高能量的电池系统，第二是使用成本低、稳定、对环境完全友好、长寿命的电池体系，以保证源源不断的电能从可再生清洁能源中整合到电网中。

目前，用于大型电网储能的方式，在实际布建的案例中，还是以传统的铅酸电池为主。铅酸电池成本低、但是寿命短、铅和浓硫酸等主要材料对环境造成严重污染，需要回收。因此，迫切需要找到一种可以替代铅酸电池的新技术。

近二十年来，锂离子电池技术的发展日益成熟，由于其能量密度大，输出电压高，使得锂离子电池在不同领域的应用也得到了迅猛发展。但是由于锂离子电池使用有机溶剂作为电解液，由此造成了制造成本偏高以及在使用中有易燃易爆的安全隐患。中国专利授权公告号CN1328818C公开了一种混合型水系锂离子电池。其工作原理是：对装成的电池，首先必须进行充电。充电过程中，锂离子从正极脱出，通过电解液，锂离子吸附在活性碳等材料做成的负极。放电过程中，锂离子从负极上脱附，通过电解液，锂离子嵌入正极。充放电过程仅涉及锂离子在两电极间的转移。该混合型水系锂离子电池的正极材料采用LiMn₂O₄、LiCoO₂、LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂、LiMg_0.2Mn_1.8O₄等能够可逆的嵌入脱出锂离子的材料，负极则采用比表面积在1000m²/g以上的活性炭、介孔碳或碳纳米管等。

另外，随着锂离子电池的大规模应用，锂的需求量会越来越大，由于地壳中有限的储量，导致锂材料的价格会越来越高。近年来人们开始关注用更为廉价的碱金属如钠，钾甚至是碱土金属镁来取代锂用于储能器件。钠在地壳中的储量非常丰富，约占2.74％，为第六丰富元素，分布广泛，含钠的原料价格较低；以及和锂相似的电化学性质，钠基的电池渐渐成为了锂离子电池的替代选择。

早期研究的基于钠金属的钠硫和Na/NiCl₂电池，虽然具有较为理想的能量密度，但是要用到熔融态的钠作为负极，运行温度在300～350℃之间，因此需要配套使用高额的热管理体系和特殊的陶瓷固体电解质。另外如果陶瓷固体电解质一旦破损形成短路，高温的液态钠和硫就会直接接触，发生剧烈的放热反应，产生2000℃的高温，有较大的安全隐患。基于这些背景和原因，室温钠离子电池又成为人们的研究热点。

中国专利公开号CN102027625A公开了一种以钠离子为主的水相电解质电化学二次能源储存装置，其包括阳极电极、能够使钠阳离子可逆性脱嵌的阴极电极、隔板和含有钠阳离子的水相电解质，其中初始活性阴极电极材料包含在该装置的初始充电期间使碱金属离子脱嵌的含碱金属的活性阴极电极材料。该活性阴极电极材料可以是掺铝的λ-MnO₂、NaMnO₂(水钠锰矿结构)、Na₂Mn₃O₇、NaFePO₄F、Na_0.44MnO₂。该阳极电极包含多孔活性炭，且电解质包含硫酸钠。

中国专利公开号CN1723578A公开了一种钠离子电池，包括正电极、负电极和电解质。正电极包括一种能够可逆性循环钠离子的电化学活性材料，负电极包括一种能够嵌入钠离子的碳。该活性材料包括钠过渡金属磷酸盐。过渡金属包括选自钒(V)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、铜(Cu)、镍(Ni)、钛(Ti)中的一种过渡金属及其混合物。