[发明专利]一种耐低温的水系镍铁电池

说明书

本发明公开了一种耐低温的水系镍铁电池，所述电池系统包括氧化镍/碳复合薄膜正极、泡沫铁负极和抗冻电解液，属于电池技术领域。其中，所述电解液为适宜浓度的氢氧化钾水溶液。通过调控溶液中强极性氢氧化钾电解质的浓度配比，打破原有氢键网络及溶剂中离子的溶剂化结构，能显著降低电解液的结冰点（结冰温度极限低至‑112^oC），并确保其低温条件下优良的离子电导率和可逆的电化学反应特性，从而实现高性能耐低温镍铁电池的构建。全电池器件制作工艺简单，成本低廉，安全性能优越，且具有良好的低温充放电性能，在大规模储能及特种军用领域具有潜在的应用前景。

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种耐低温的水系镍铁电池。

背景技术

低温储能电池对于人类的极地活动、航空探索及军事导航等领域的发展至关重要。但现有的商用锂离子电池难以维持极端温度条件下的正常运行：传统石墨负极在0°C以下会发生容量大幅衰减，在-20°C以下基本停止工作；而金属锂负极在极寒条件下也将遭受电化学反应动力学的严重制约，如电沉积/剥离能力和循环寿命显著下降。低温环境下电解液的离子传导能力变差是造成这些问题的根源之一。近年来，研究人员针对具有低熔点的非水系电解液（如液化气体、氟化溶剂和乙酸乙酯等）进行了一系列研究并取得了重要进展。然而，非水系电解液的安全性、环境影响和成本高等问题依旧是严峻的挑战。

相比较，水系电池使用水性溶液作为电解液，具备离子电导率高、功率密度大、生产成本低及安全性好等诸多优势。然而，水的冰点为0^oC，在低温下水性溶液往往会冻结，其电导率和离子传导率会大大下降；另一方面，电解质也会随着温度的降低而析出，这严重影响了水系电池的低温储能应用。目前关于低温锌离子水系电池有不少研究报道，其中改善其低温性能的方法主要是开发防冻型的水/有机杂化电解液体系（如在水溶液中添加二甲亚砜、乙二醇等）。这种电解液体系往往包含一种或多种有机添加剂，成分较为复杂，配置过程繁琐，使用条件严苛，难以产业化。此外锌负极存在枝晶生长严重、循环寿命短等诸多问题。因此，开发一种成分简单、使用便捷的低温电解液体系，并构筑性能良好的低成本低温水系电池具有重要的现实意义。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于：开发一种成分/配置简单、使用便捷的防冻型水系电解液，并构筑低成本且性能优越的耐低温水系镍铁电池，技术要点包括耐低温水系电解液的调制以及镍铁基正负极材料的配置。以氢氧化钾水溶液为电解液，其浓度达到适宜浓度范围（5-15 mol/L）时，电解液的凝固点会显著降低，同时也保持着较高的电导率。以简单的液相反应配合高温煅烧可得到氧化镍/碳复合正极材料，搭配泡沫铁负极和上述水系电解液，可得到在-40^oC环境中正常运行且性能良好的水系电池。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：

1. 开发一种耐低温的水系镍铁电池包括如下步骤：

（1）电解液的配置：将一定量的氢氧化钾溶解于去离子水中，搅拌均匀后得到水系电解液，当其浓度位于5-15 mol/L范围区间时，电解液的冰点最低可降至-112 ^oC。

（2）正极材料的制备：所述正极为氧化镍/碳复合材料，可采用液相法配合高温煅烧法制得，具体包括以下步骤：

（I）将1g四水乙酸镍C₄H₆NiO₄⋅4H₂O，1.5g尿素CO(NH₂)₂以及0.3g的氟化铵NH₄F溶解于50ml的去离子水中，搅拌均匀，将该混合溶液转移到聚四氟乙烯反应釜中。将合适大小的泡沫镍（2.5×4.0×0.2 cm³）衬底置于反应釜内，在130^oC的电热烘箱中保持5小时。