[发明专利]一种可充电化学储能器件及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种可充电化学储能器件及其用途，具体为基于有机或无机电极材料的水系或非水有机电解液体系的可充电化学储能器件及其用途。

背景技术

锂离子电池作为一种可充电化学储能器件，具有较高的能量存储密度和功率密度，已经在便携式电子设备中得到广泛应用，并将大规模应用于电动汽车。锂离子电池的优点是能量密度高（80-230Wh/kg）。锂离子电池的储能机制是通过锂离子与电子在材料的晶格内储存，由于低温和室温下离子在固相的扩散是速率控制步骤，因此锂离子电池的功率特性一般小于3C。离子在晶格内的反复进出，容易引起晶格的膨胀收缩，导致应力分布不均，材料容易产生裂纹，因此影响循环性。再次，由于全球锂资源储量有限，锂离子电池大规模应用于电动汽车和智能电网，且锂离子电池的回收经济型差，必将带来锂离子电池成本上升和资源紧张与不可持续。此外，目前锂离子电池主要采用有机液态或聚合物电解质，电池在过充、过放或大电流充放电过程中存在较大的安全隐患。

因此，高功率密度、长寿命、高安全性、低成本且兼具一定能量密度的的新型可充电化学储能器件系统是规模储能电池的重要发展方向。

有机材料与传统无机材料相比，具有来源广泛(可由各种生物质合成)、不含贵重金属、合成过程简单、无需高温烧结、低能耗、低成本、高容量（对应多电子转移）等特点，且易于回收。

与全球锂资源相比，钠具有与锂相似的物理化学性质，储量丰富，分布广泛，且成本约为锂的二十分之一。

有机电极材料可以具有与传统锂离子电池中嵌入式的无机电极材料不同的储能机制。有机正负极分别通过阴离子的掺杂/去掺杂和阳离子的嵌入/脱出过程中，伴随正负极有机材料中功能基团得失电子的电位不同，储存电量。充放电过程中电解液中溶质盐的阴阳离子分别在正负极之间进行可逆的阴离子的掺杂/去掺杂和阳离子的嵌入/脱出。

因此，发展基于有机电极材料体系或有机、无机结合的高功率密度、长寿命、高安全性、低成本且兼具一定能量密度的的新型可充电化学储能器件（优选钠离子可充电化学储能器件）具有广泛的商业价值和意义。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种高功率密度、长寿命、高安全性、低成本且兼具一定能量密度的新型可充电化学储能器件。

本发明提供的可充电化学储能器件，其原理为：正极为可进行阴离子X^-掺杂/去掺杂的有机材料；负极为可进行阳离子M⁺嵌入/脱出的有机或无机材料；电解液为溶质MX质量分数达到其饱和溶液中质量分数的80-110%的高盐浓度的水溶液、非水有机溶剂或熔盐体系。充电时，电解液中的X^-与正极结合，M⁺嵌入到负极；放电时X^-与正极分离进入电解液，M⁺脱出负极进入电解液，同时释放电能。电解液中阴阳离子分别与正负极材料结合、嵌入的相互作用可以是共价、离子、氢键等一种或几种的混合的化学键作用，或发生弱的静电相互作用。

本发明所述的可充电化学储能器件，其原理不同于传统的“摇椅式”锂离子电池和钠离子电池。传统“摇椅式”锂离子电池中电解液只起到连接正负极，为锂离子在正负极之间往返输运的媒介，不参与储能过程（锂离子电池依靠充放电过程中正极或负极材料中过渡金属元素不同化学价态储存能量）。本发明二次电池利用电解液中溶质盐阴阳离子分别与正负极结合的状态和电位的不同，通过电子的得失实现充电和放电。电解液中溶质盐阴阳离子分别参与正极和负极的可逆结合/去结合过程，实现可逆充放电，电极材料在循环过程中具有较高的结构稳定性和倍率性能。该二次储能电池可以选择不含锂源和过渡金属的正极材料，进一步降低电池成本。

本发明所述的可充电化学储能器件与传统电容器和传统锂离子电池不同，充放电过程中电压E与电量Q的微分dE/dQ值可不为常数或不等于零（电容器特征:dE/dQ=可不为零的常数，锂离子电池特征:dE/dQ可为零)。

本发明所述的可充电化学储能器件，具有正极、负极、隔膜和电解液，其中电解液为溶质MX质量分数达到其饱和溶液中质量分数的80-110%的高盐浓度的水溶液、非水有机溶剂或熔盐体系。