[发明专利]一种混合水性可充电电池

说明书

本发明涉及一种混合水性可充电电池，其中所述电池包含正极和负极，其中正极和负极分别处于pH不同的水性电解质中。该混合水性可充电电池较传统的水锂电池的工作电压高0.6V以上，理论能量密度要高60Wh/kg以上。该混合水性可充电电池可用于电力的储存和释放等方面。

技术领域

本发明涉及一种电池，具体涉及一种可充电电池，其中正极和负极处于pH不同的水性电解质中。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、比功率大、循环性能好、无记忆效应、无污染等特点，因此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，锂离子电池对水分非常敏感，对组装环境非常苛刻(例如参见周清等，除水装置及改善锂离子电池正负极极片含水量的方法，中国发明专利申请，申请号：CN201210531150.6，申请日：2012年12月11日)，所以生产成本较高，在电动汽车中的推广目前还必须依靠财政补贴。同时，由于采用易燃的有机电解质，必须采用水冷等安全措施(例如参见曹青山，电动汽车专用电池，中国实用新型专利申请，申请号：CN201120229436.X，申请日：2011年7月1日)来改善大型锂离子电池的可靠性。

以水锂电池为代表的水溶液金属离子电池具有离子电导率高、成本低、易大规模生产、安全环保等优点，已经成为下一代大型储能电池发展的优选方向。但是由于受制于水的理论分解电压(1.229V)，其充放电电压远低于2V；即使在水凝胶聚合物电解质体系中依然不可能提高水的理论分解电压和采用水凝胶的充放电电池的工作电压(参见谢奕明等，新型超吸水性复合材料水凝胶电解质的制备，华侨大学学报(自然科学版)，2007年，第28卷第2期，第155页-第158页)，能量密度远远低于锂离子电池，因此远远无法达到高能量密度的目的。

锌金属由于储量丰富、氧化还原电势低、理论容量高(820mAh/g)、使用安全、无污染、价格低廉，被广泛用于碱性电池和酸性电池中。碱性电池主要是锌锰电池，该类电池由于正极材料在碱性电解质中的循环差，因而只能作为一次性电池。酸性电池也称为锌离子电池，主要靠Zn²⁺和其它金属离子(如Li⁺、Na⁺)在正负极间移动来实现充放电。该类电池具有较高的能量密度和较好的循环性能，但是由于Zn负极在酸性条件下的氧化还原电位比碱性条件下的氧化还原电位高，导致其放电电压较低，不能超过2V。

镁和铝是极有吸引力的一次电池负极材料，它们具有较低的氧化还原电位、较小的原子量和较高的质量和体积比电化学当量(参见汪继强等译，电池手册(原著第四版)，北京化学工业出版社，2013年)。此外，镁和铝的储量均非常丰富，相对锂来说价格偏低，具有很好的应用价值。但是目前没有它们在水溶液中具有高电压(2V)的充放电电池的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服上述锌基电池及镁、铝电池存在的缺点，提供一种具有高能量密度的混合水性可充电电池，以克服水溶液电池电压低、能量密度低等问题。

所述目的通过本发明的混合水性可充电电池实现，其中所述电池包含正极和负极，其中正极和负极分别处于pH不同的水性电解质中。

在本发明的优选实施方案中，正极电解质的pH值低于负极电解质的pH值。

特别地，在本发明的可充电电池中，负极可处于碱性或中性水性电解质(水溶液或水凝胶电解质)中；正极可处于中性、弱酸性或酸性水性电解质中。具体地，当负极处于碱性电解质中时，正极可处于中性、弱酸性或酸性电解质中；当负极处于中性电解质中时，正极可处于弱酸性或者酸性电解质中。在本发明中，“碱性”是指pH大于7，“中性”是指pH等于7，“弱酸性”是指4＜pH＜7，酸性是指pH≤4。此外，本发明的水性电解质可为水溶液或水凝胶电解质。在本发明中，“水性”是指本发明所用的电解质为水溶液或水凝胶电解质。