[发明专利]混合活性金属离子/金属-氧电池体系、其构建方法和应用

说明书

本发明提供了一种混合活性金属离子/金属‑氧电池体系，所述电池体系以活性金属作为负极，氧气和活性载体材料作为正极，且在电化学反应过程中可逆地生成一种同时含活性金属离子、氧和活性载体材料的中间化合物。本发明的混合活性金属离子/金属‑氧电池有效地结合活性金属离子电池低极化、长循环寿命和金属‑氧电池高容量的优点并同时避免了它们的缺点。该混合电池实现了活性金属离子和氧同时可逆地存储于一种载体材料中。本发明提供的混合电池体系有望成为下一代高比能量电池，并优先于金属‑氧电池被应用于实际生活中。

技术领域

本发明属于化学电源领域，具体涉及一种混合活性金属离子/金属-氧电池体系，及其构建方法和应用。

背景技术

活性金属离子电池已经广泛应用于各种便携式设备以及电动交通工具。随着社会的蓬勃发展，人们对高能量密度储能器件的需求日益增加。因此，人们开始将研究重点转向下一代高比能量二次电池，比如金属-氧电池。

金属-氧电池采用氧气作为正极，活性金属作为负极。由于正极活性物质氧是气体，正极电极需要使用固体导电载体材料。在放电过程中，氧气在载体材料上与活性金属离子结合并被还原生成固体金属氧化物。在充电过程中，固体金属氧化物被分解并释放出氧气。在这个过程中，载体材料不参与电化学反应，即没有被氧化或者还原。

由于反应涉及气、液和固三相之间的质量、离子和电荷输运，金属-氧电池通常具有较慢的反应速率和较大的极化。生成的固体金属氧化物通常只是随机地分布在导电载体材料上，容易引起电极体积膨胀、孔道堵塞和电池失效等问题。

与常见活性金属离子电池相比，金属-氧电池具有更高的比容量，但是其能量效率更低、循环寿命更短。为了有效地结合活性金属离子电池低极化和金属-氧电池高容量的优点并同时避免它们各自缺点，本发明提出构建混合活性金属离子/金属-氧电池体系(下称混合电池)。在混合电池中，活性金属离子和氧可以同时可逆地存储在一种活性载体材料中，并生成一种同时含活性金属离子、氧和载体材料的化合物。此时，载体材料也参与电化学反应，也是一种活性材料，因而它被称为活性载体材料。该混合电池具有容量高、极化低、寿命长的优点。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种混合活性金属离子/金属-氧电池体系，及其构建方法和应用。

在阐述本发明的技术方案之前，定义本文中所使用的术语如下：

术语“活性金属”是指：自身能够参与电化学反应、具有电化学反应活性的金属。

术语“活性载体材料”是指：自身能够参与电化学反应，能够同时存储活性金属和氧并反应生成一种化合物的材料。

术语“PVDF”是指：聚偏氟乙烯。

术语“LiTFSI”是指：双三氟甲烷磺酰亚胺锂。

术语“DME”是指：乙二醇二甲醚。

术语“NaTFSI”是指：双三氟甲烷磺酰亚胺钠。

术语“DMSO”是指：二甲基亚砜。

术语“PTFE”是指：聚四氟乙烯。

术语“EMIm”是指：氯化1-乙基-3-甲基咪唑。

术语“EC”是指：碳酸乙烯酯。

术语“EMC”是指：碳酸甲乙酯。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种混合活性金属离子/金属-氧电池体系，所述电池体系以活性金属作为负极，氧气和活性载体材料作为正极，且在电化学反应过程中可逆地生成一种同时含活性金属离子、氧和活性载体材料的中间化合物。

根据本发明第一方面的电池体系，其中，所述活性金属选自以下一种或多种：锂、钠、钾、镁、钙、铝，锌。