[发明专利]一种基于羰基化合物正极材料的水系锌离子电池及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于羰基化合物正极材料的水系锌离子电池及其制备方法，其中羰基化合物既包括简单的羰基化合物，也包括羰基化合物的聚合物。主要包括醌类、酰胺类以及酸酐类。负极包含金属锌及其锌合金类，电解液是含锌盐电解质的水溶液，隔膜包括各种过滤用隔膜以及阳离子交换类隔膜。羰基正极材料来源环保、价格低廉、绿色可持续、安全性能好、能量密度高。组装的水系锌离子电池的能量密度能够达到300瓦时每公斤(基于羰基正极材料)。本发明包含的水系锌离子电池为大规模安全储能提供了可行的解决方案。

技术领域

本发明涉及一类基于羰基化合物正极材料的水系锌离子电池，包括羰基化合物正极材料，相对应的锌和锌合金负极，各类锌离子电解液以及多孔或者阳离子交换隔膜。

背景技术

水系电池由于采用盐的水溶液作为电解质，因而具有更高的安全性能以及更廉价的成本，被认为是适用于大规模廉价储能的电池体系。就报道的水系二次电池而言，以金属锌为负极的水系二次电池由于能量密度较高，受到人们的广泛关注。金属锌与水溶液相容性较好，理论比容量较高，达到820毫安时每克。目前水系锌离子电池的主要瓶颈在于可选的正极材料较少，比容量较低，极化较大。近年来，多种无机化合物正极材料应用与水系锌离子电池的工作被报道。2016年，Pan等人报道了一种锌-α二氧化锰电池，展现了285毫安时每克的比容量，1.44V的工作电位，以及300mV左右的过电位(Pan,H.L.；Shao,Y.Y.；Yan,P.F.；Cheng,Y.W.；Han,K.S.；Nie,Z.M.；Wang,C.M.；Yang,J.H.；Li,X.L.；Bhattacharya,P.；Mueller,K.T.；Liu,J.Reversible aqueous zinc/manganese oxide energy storagefrom conversion reactions.NatureEnergy 2016,1,16039.)。同年，加拿大Nazar课题组报道了一种基于Zn_0.25V₂O₅·nH₂O正极的水系锌离子电池，展现了接近300毫安时每克的比容量，平均电位在0.8V左右(Kundu,D.；Adams,B.D.；Ort,V.D.；Vajargah,S.H.；Nazar,L.F.A high-capacity and long-life aqueous rechargeable zinc battery using ametal oxide intercalation cathode.Nature Energy2016,1,16119)。此外，基于碘正极、溴正极、普鲁士蓝正极的水系锌离子电池也被报道。从上述文献可以看出，目前水系锌离子电池的正极材料较为有限，主要集中于各类无机化合物。有机化合物电极材料尤其是羰基正极材料由于来源环保，价格低廉，被认为是一种绿色可持续发展的正极材料。然而，从目前调研来看，还未见将羰基化合物应用于水系锌离子电池的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于羰基正极材料的水系锌离子电池，极大的丰富了水系锌离子电池正极的选择性，同时解决了目前基于无机正极材料的水系锌离子电池比容量低、极化大的问题。羰基材料具有比容量高、电压可调控、极化小的特点，具有广泛的应用前景。

本发明的技术方案是：

一种基于羰基化合物正极材料的水系锌离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液。

所述的正极材料为羰基类化合物，该羰基类电极材料主要包含醌类正极材料，酰胺类正极材料以及酸酐类正极材料，该材料为其简单单体或其聚合物。

所述负极材料为金属锌或金属锌的合金类负极。

所述隔膜为聚乙烯、聚丙烯和聚乙烯依次构成的三层复合膜或Celgard系列膜或玻璃纤维滤纸或普通过滤类滤纸或Nafion各类阳离子交换膜。