[发明专利]一种水系锌离子单液流电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种水系锌离子单液流电池系统。

背景技术

近年来，随着经济发展及环境压力，二次电池的发展方兴未艾，在传统的二次电池中，锂离子电池具有较高的性能。锂离子电池是利用Li⁺作为储能介质来储存电能，利用Li⁺的嵌入及脱嵌实现电池的充放电循环。但由于锂较活泼，导致锂离子电池的安全性较差。

结合锂离子电池与传统锌锰干电池，CN101540417A等中国专利首次公开了一种以二氧化锰为正极，以锌为负极，以含锌离子的溶液为电解液的可充电锌离子电池，在充电时锌离子脱出二氧化锰经过电解液然后在负极沉积，放电时上述过程相反。由于利用锌离子在正极材料的可逆脱嵌行为，这种电池具有容量高、寿命较长的优点。

但是，上述专利通过正极材料及电解液的改进，改善了电池性能，但锌负极的枝晶问题并没有在根本上予以改善，制约了电池的高效、长寿命运行。针对此问题，中国专利201210260404.5结合锌离子电池与液流电池的优点提出了锌离子单液流电池的概念，改善了电极活性物质的物质传递过程，提高了电池性能，并极大的改善了锌负极枝晶问题。

锌离子相比锂离子半径增加，嵌入脱嵌反应速率较慢，并且目前适合的正极材料有限，严重制约了其进一步发展。反观锂离子电池尤其在水系中的锂离子电池正极材料已有多年的研究历史，但是由于水系锂离子电池的负极材料稳定性较差，循环寿命较低限制了发展。

发明内容

本发明结合锌离子电池、锌离子单液流电池、水系锂离子电池的优缺点及存在的制约性问题。为了实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种水系锌离子单液流电池系统，所述电解液的溶质由含有锌离子的可溶性盐和含有锂离子或/和钠离子的可溶性盐组成，溶剂为水；

正极活性材料为嵌入Li或/和Na离子的Mn、Co、Ni、Fe的氧化物中的一种或两种以上的混合氧化物；负极为沉积型电极。

电解液储罐内装填有电解液，电解液储罐经液体输送泵通过管路分别与单电池或电堆的入口和出口相连；

充电时，正极中嵌入的锂离子或/和钠离子脱嵌进入电解液中；锌离子在负极以锌单质形式沉积；放电时，锂离子或/和钠离子嵌入正极材料中；负极沉积的锌单质氧化为锌离子经由泵回到储液罐中。

所述含有锌离子的可溶性盐为硫酸锌、硝酸锌、氯化锌或溴化锌中的一种或两种以上；电解液中锌离子浓度为0.5-1.0mol/L；

含有锂离子的可溶性盐溶液为硫酸锂、硝酸锂、氯化锂或溴化锂中的一种或两种以上；含有钠离子的可溶性盐溶液为硫酸钠、硝酸钠、氯化钠或溴化钠中的一种或两种以上；电解液中锂离子和/或钠离子浓度为1.0-2.0mol/L。

电解液的pH值大于2.0。

正极由基体和其上的正极材料组成，正极材料由正极活性材料、导电剂、粘结剂组成；嵌入Li或/和Na离子的Mn、Co、Ni、Fe的氧化物中的一种或两种以上的混合氧化物，导电剂为碳材料，粘结剂为PTFE或PVDF，正极活性材料在正极中的质量比60%-80%，导电剂在正极中质量比5%-30%，粘结剂在正极中质量比10%-35%。

所述负极为沉积型电极，所述沉积型电极为板状或多孔状的金属或碳材料。

本发明的有益效果：

本发明提出了正极材料锂或钠离子的嵌入脱嵌反应，负极采用锌的沉积溶解反应的电池概念，并通过对电解质溶液、正极材料的优选，改善了该电池的性能。该电池规避了上述电池的缺点，由于正极反应采用锂离子或钠离子的嵌入及脱嵌反应，相比锌离子液流电池正极的锌离子嵌入脱嵌反应具有更高的电化学可逆性；该电池由于负极采用锌的沉积溶解，相比水系锂离子电池负极的锂或钠离子嵌入脱嵌反应具有更高的可逆性及更低的价格和更好的循环稳定性。

说明书附图

图1为实施例1组装的单电池示意图；其中1-正极端板；2-负极端板；3-正极；4-负极；5-泵；6-电解液储罐；

图2为实施例1组装的单电池的电池循环性能图；

图3为实施例2组装的单电池的电池循环性能图。

具体实施方式

实施例1

正极材料的制备：（以Mn氧化物为例）