[发明专利]一种基于吸附赝电势与嵌入式反应的混合电化学储能体系

说明书

本发明公布了一种基于吸附赝电势与嵌入式反应的混合电化学储能体系，包括正极、负极和电解液，其正极的活性材料为纳米材料MX_y，其中M选自Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ta、Ru和W元素中的一种或多种，X选自O、S、Se、F、N和P元素中的一种或多种，0≤y≤5；该储能体系的充放电容量贡献来源于吸附赝电势和嵌入式反应。在充电过程中，电解液阴离子被吸附在正极的活性材料表面上，同时被氧化；在放电过程中，电解液阴离子从正极的活性材料表面脱附，同时被还原，从而产生可观的吸附赝电势。吸附赝电势使得发明的混合电化学储能体系在嵌入式反应的基础上容量得到大幅度提升，具有高能量密度的特点。

技术领域

本发明属于二次电池和电化学领域，涉及一种基于吸附赝电势与嵌入式反应的新型混合电化学储能体系。

背景技术

自电池发明200多年以来，它在能源储存和转换系统中发挥着越来越突出的作用，大大提高了人们的生活质量。从一次电池到二次电池，根据电池的电化学反应过程可以分为很多体系，比如Zn-MnO₂一次电池、铅酸电池、镍氢电池和目前应用广泛的锂离子电池。随着先进材料的发展以及新型反应机理的引入，电池的电化学性能得到了很大的提高，如锂离子电池的嵌入式反应机理可以抑制锂枝晶的形成，增加电池的工作电压，提高了电池的能量密度，这大大促进了便携式电子产品的发展。由于电动汽车市场的迅速发展，锂离子电池的正极材料需要具备更高的能量密度，以满足续航里程的需求。在富锂正极材料体系中，由于阴离子氧化还原的额外贡献，其比能量密度比传统正极材料大幅度提升，引起了世界的广泛关注。然而为了进一步提升能量密度，需要具有更高容量的正极材料。换句话说，这需要增加正极材料中锂的含量，但从热力学稳定性的角度上来说这很难实现。因此，锂离子电池的能量密度的上限受到了电池材料的制约。另一方面，近年来，由于锂离子电池短路导致火灾和爆炸引发了人们对于电动汽车使用高能量密度锂离子电池的担忧，主要原因是由于锂插入脱出的机制会导致材料结构的相变和崩塌，且阴离子氧化还原反应会造成氧气的析出。所以，有必要探索新的电化学储能机制，既能够保持高能量密度，也要具有更好的安全性和长的循环寿命。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种新型的基于吸附赝电势的电化学储能机制，通过将该机制与现有嵌入式反应机制相结合，构造具有高能量密度的混合电池体系。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种混合电化学储能体系，包括正极、负极和电解液，其特征在于，所述正极的活性材料为纳米材料，其化学通式为MX_y，其中M选自Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ta、Ru和W元素中的一种或多种，X选自O、S、Se、F、N和P元素中的一种或多种，0≤y≤5；所述储能体系的充放电容量贡献来源于吸附赝电势和嵌入式反应，所述吸附赝电势的电化学反应过程如下：在充电过程中，电解液阴离子被吸附在正极的活性材料表面上，同时电解液阴离子被氧化；在放电过程中，电解液阴离子从正极的活性材料表面脱附，同时电解液阴离子被还原。

所述正极的活性材料为纳米材料，其形态可以是纳米颗粒、纳米片、纳米线等，也可以是无定形的纳米材料。所述纳米材料优选至少在一个维度上的尺寸小于100纳米。

所述正极的活性材料MX_y中，优选的，M为Mn、Fe、Co、Ni、Nb、Mo、Ta、Ru和W元素中的一种或多种，X为O、S和F元素中的一种或多种。更优选的，所述正极的活性材料为Mn₃O₄、MnO₂、Mn₅O₈、RuO₂、Fe₂O₃、Fe₃O₄、NiO、MoS₂、FeF₃等。