[发明专利]一种碱性二次电池电解液及其配制方法

说明书

技术领域

本发明属于能源领域，涉及一种碱性二次电池电解液及其配制方法。

背景技术

钴基材料通常被称为Stelliete合金，具有高硬度、强韧性和能耐各种类型磨损和腐蚀以及高温氧化等特点，因而得到了广泛研究和发展。当前，和钴基材料相关的研究主题主要包括磁性材料、催化剂、硬质合金以及维他命B₁₂等。但随着以节能减排为核心的低碳经济时代的来临，太阳能、风能、氢能源等可再生能源以及清洁能源得到的快速发展，而开发安全、高效的储能装备尤为重要，从而使钴基材料潜在的电化学储能特点引起了特别关注。钴是碱性二次电池、锂离子电池、超级电容器以及燃料电池等高性能电化学储能装备的电极材料中重要的组成部分，对电极性能起到了关键作用。如锂离子电池正极材料的主要组成部分LiCoO₂中钴的质量百分含量达60％，占整个正极材料质量的50％；钴基合金和钴的氧化物在高容量锂离子负极材料中也得到了广泛研究。此外，钴或其氧化物、氢氧化物可添加至镍镉、镍氢二次电池的Ni(OH)₂正极材料中，从而能够提高电极的电导和稳定性；钴还是镍氢电池负极材料中储氢合金(如LaNi₅基合金)的重要组成部分，不仅可以抑制储氢合金在吸氢时的晶格膨胀，还可以提高合金的耐腐蚀能力。

近年来，一些科学家采用钴基材料作为碱性二次电池负极材料，而正极材料为Ni(OH)₂，南开大学高学平等人将此类新型电化学氧化还原体系定义为镍钴电池，并报道该电池的比能量达160Wh/kg，远高于商业镍氢电池的70-90Wh/kg。镍钴电池的电池反应和镍镉电池的相似，镍钴电池的工作电压与镍氢电池相当，约为1.2V。在放电过程中钴被氧化为β-Co(OH)₂，充电后β-Co(OH)₂被还原为金属态的钴。钴基负极材料在镍钴电池中的主要电化学反应为钴的多电子氧化还原反应。

钴基材料电化学储能反应主要来自钴在碱性电解液中的氧化还原作用，研究表明，非金属元素(如硼、硫、磷等)的加入能够显著细化钴基材料的颗粒尺寸，提高颗粒分散性，并可以一定程度上改善循环稳定性，但相关反应机理仍不清楚。此外，钴基材料的循环稳定性是实现其应用的关键，而该类材料在循环过程中钴的脱溶是高循环稳定性的障碍。Zhao等人在杂志Electrochimica Acta的55卷1期题为“Electrochemical energy storage of Co powders in alkaline electrolyte”中报道称钴脱溶生成的HCoO₂^-离子使溶液呈蓝色，该离子随后水解沉积为棕褐色的CoOOH，导致钴电极的放电容量不断衰减，循环稳定性差。而改变电解液组成是改善材料循环稳定性的重要方面之一。Lu等人在杂志Electrochemistry Communications的12卷3期题为“Drastically enhanced cycle life of Co-B alloy electrode by 8-hydroxyquinoline at elevated temperature”中报道称在碱性电解液中添加少量的8-羟基喹啉能够显著提高钴基电极材料的循环稳定性，但所加添加剂需在55℃的高温下才能有效溶解并发挥作用，而且该添加剂毒性加大。同样，Lu等人在杂志Electrochimica Acta的56卷12期题为“In situ electrochemical oxidation of ethylenediamine on Co-B alloy electrode during cycling for improving its electrochemical properties at elevated temperature”中报道的电解液中的添加剂乙二胺，也存在同样问题。可见，开发出在常温下(10-40℃)能够抑制钴基材料脱溶并能显著提高钴基电极循环稳定性的添加剂尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了改进现有碱性二次电池电解液中的添加剂应用范围窄的问题，而提供一种含有硫代硫酸盐的碱性二次电池电解液及其配制方法，使钴基电极材料在常温(10-40℃)条件下的脱溶能够被抑制，从而表现出高循环稳定性。

本发明的技术方案为：一种碱性二次电池电解液，其特征在于电解液为硫代硫酸盐和氢氧化钾的混合水溶液；其中硫代硫酸盐在混合水溶液中的浓度为0.002-0.05M；氢氧化钾在混合水溶液中的浓度为4-8M。