[发明专利]具有锌金属负电极和温和水性电解质的二次电化学电池及其方法

说明书

提供了用于储存和递送电能的二次电化学电池及形成其的方法。所述二次电化学电池包括：薄膜锌金属负电极，其包含负电极集流体和施加到所述负电极集流体的锌金属层；薄膜正电极，其包含正电极集流体和施加到所述正电极集流体的活性材料层，其中所述活性材料层与Zn2+阳离子可逆地进行电化学反应；水性电解质，其将所述负电极离子耦合到所述正电极；以及薄隔板，其设置在所述负电极和所述正电极之间，其中所述隔板被所述水性电解质润湿。

技术领域

以下总体上涉及二次电化学电池，更具体地讲，涉及使用金属锌作为负电极的二次电化学电池。

介绍

金属锌负电极用于许多一次(不可再充电)和二次(可再充电)水性电池类型中。锌廉价、无毒，与在水性电池中使用的其他负电极材料相比，具有低氧化还原电位(-0.76V，相对于标准氢电极)，并且由于析氢的高过电位而在水中是稳定的。

使用锌金属的电化学电池已经用于商业应用。图1中列出了使用锌金属电极的几种传统和现代类型的电池，以及标准电池符号形式的内部电池化学。碱性(Zn||MnO₂)、锌-空气(Zn||O₂)和Ni-Zn (Zn||NiOOH)作为可再充电电池正在商业化。这些中的每一种都使用碱性电解质，最常见地，其基于高浓度的NaOH或KOH。由于在电池再充电(电镀Zn)期间锌在碱性电解质中形成枝晶的趋势，这些电池的再充电能力受到限制。这些枝晶可从负电极生长到正电极，并导致电池经历内部短路。

表1. 锌电池类型。

使用锌负电极的二次电池的缺点和挑战是形成树枝状或苔藓状沉积物和电镀/剥离循环的低库仑效率。锌的不受控制的沉积可在重复循环期间形成积聚，并且通过内部短路引起过早的电池失效。低库仑效率通过副反应消耗活性锌金属或在电池内形成非活性死锌而限制循环寿命。通常，锌金属剥离/电镀的较高库仑效率允许在负电极中存在较低过量的锌以在电池中实现相同的循环数。

碱性电解质中的锌电极特别易于形成树枝状锌和低库仑效率(通常＜85%)。使用锌金属电极的一些电池化学可利用中性或酸性电解质，例如依赖于在正电极处的Zn²⁺的插入/脱出的锌离子体系。不是在碱性电解质中在锌电极处的溶解/沉淀反应(Zn + 4OH^-↔Zn(OH)₄^2- + 2e^-和Zn(OH) ₄^2-↔ZnO + 2OH- + H₂O)，在酸性电解质中的反应机理(Zn↔Zn²⁺ +2e^-)不涉及绝缘的氧化锌。这个优点导致通常大于95%的高得多的库仑效率。然而，强酸性电解质造成另外的挑战，例如在电池充电期间增强的析氢(HER：2H⁺ + e^-→H₂)和电池外壳、集流体的腐蚀，以及活性电池材料的溶解。

授予Ahanyang Seung-Mo Oh和Kunpo Sa-Heum Kim的美国专利号6,187,475描述了使用温和的、接近中性pH的水性电解质的锌离子电池。然而，该电池仅能够实现120次循环。

因此，需要具有锌金属负电极的二次电化学电池，其克服了常规锌和非锌二次电池的至少一些缺陷。

简述

根据一些实施方案，存在用于储存和递送电能的二次电化学电池，所述二次电化学电池包括：薄膜锌金属负电极，其具有负电极集流体和施加到所述负电极集流体的锌金属层；薄膜正电极，其具有正电极集流体和施加到所述正电极集流体的活性材料层，其中所述活性材料层与Zn²⁺阳离子可逆地进行电化学反应；水性电解质，其将所述负电极离子耦合到所述正电极；以及薄隔板，其设置在所述负电极和所述正电极之间，其中所述隔板被所述水性电解质润湿。