[发明专利]一种基于锡负极的碱性蓄电池

说明书

本发明属于电化学技术领域，具体为一种基于锡负极的碱性蓄电池。本发明碱性蓄电池以锡元素为主的材料作为负极活性物质，以碱的水溶液作为电解液，其pH值介于10~16之间；所述锡元素为主的材料为锡金属、锡或亚锡的氧化物、氢氧化物、硫化物、碳酸盐及其多孔化合物中的一种，或其中多种的混合物。锡负极具有电极电位低、比容量高、倍率性能好、循环寿命长、成本低、环境友好性等特点。基于锡负极的碱性蓄电池，具有高比能量、高比功率性能。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种基于锡负极的碱性蓄电池。

背景技术

碱性蓄电池，采用碱性水溶液作为电解液，是一类重要的化学电源体系，具有低成本、高安全性、优良综合电化学性能及清洁无污染等优点，目前已在消费类市场、便携式电子产品、新能源汽车、电网储能等众多市场领域得到广泛应用。然而，受制于工作电压低及电极材料比容量低的问题，传统的碱性蓄电池，例如镍金属氢化物、镍铁、镍镉、镍锌电池，均面临着能量密度低的问题——往往低于100 Wh/kg，无法可持续满足未来装备轻量化、微型化、便携化的需求。

碱性蓄电池的研究与应用已有一百多年的历史，种类繁多的负极材料不停地赋予该体系新的生命力。总得来说，负极的发展一直是制约碱性蓄电池应用的关键因素。众所周知，镍镉电池因为镉负极的污染问题在民用市场被全面禁用；镍铁电池因为铁负极极差的动力学特性而倍率性能、宽温性能较差，并且铁负极严重的析氢问题而难以做到免维护使用；镍氢电池因为昂贵的贮氢合金负极而成本居高不下；镍锌电池因为锌负极严重的自腐蚀、枝晶问题，其自放电严重，循环循环寿命普遍低于500次。因此，为发展下一代先进高能水系碱性蓄电池，其关键之一在于开发出新型的高比容量、低电极电位、长寿命、低成本、环境友好的负极材料。

发明内容

本发明的目的在于提出一种电极电位低、比容量高、倍率性能好、循环寿命长、成本低、环境友好性好的基于锡负极的碱性蓄电池。

本发明提出的基于锡负极的碱性蓄电池，采用锡元素为主的材料作为负极活性物质。

所述的碱性蓄电池，电解液为碱性电解液，即以水作为溶剂，碱作为溶质，pH值介于10~16之间。

本发明采用锡元素为主的材料作为碱性蓄电池的负极活性物质，其工作原理和特性为：

第一，碱性电解液中，零价态锡与其氧化态之间氧化还原电极电位可达约–1.0Vvs. SHE，作为负极具有较低的电极电位，有利于得到高电压碱性锡基蓄电池；

第二，锡金属负极具有903 mAh/g或6574 mAh/cm³的高理论比容量；

第三，锡负极基于溶解/析出的电化学反应机制，具有优异的电化学动力学特性，有利于高倍率输出。

由此可见，基于锡负极的碱性蓄电池，具有高比能量、高比功率性能。

进一步地：

本发明中，所述锡元素为主的材料，包括锡金属、锡或亚锡的氧化物、氢氧化物、硫化物、碳酸盐及其多孔化合物中的一种，或其中多种的混合物。以还原态（充电态）的锡金属作为活性物质具有更高的比容量；以氧化态（放电态）的锡或亚锡的氧化物、氢氧化物、硫化物及碳酸盐作为活性物质可有利于碱性锡基蓄电池的装配制造。锡源选择种类丰富，成本低廉，可满足低成本应用需求。

本发明中，所述锡负极，还包括集流体，所述集流体材质包括碳、铜、铁、镍、锌、锡、钛中的一种，或其中多种的混合。集流体的加入有利于电子集流，形成电子通路，改善电极的倍率性能，充分利用锡基活性物质；与此同时，在集流体的支撑作用下，充分保证电极的机械强度；碳及铜、铁、镍、锌、锡、钛等金属材质具有高导电性，且均不会与锡活性物质、电解液发生显著的化学反应，适合作为用于碱性蓄电池的锡负极的集流体。