[发明专利]一种由金属与过氧化物组成的高能量密度充放电电池及其应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种由金属与过氧化物组成的高能 量密度充放电电池及其应用，本发明还涉及该金属与过氧化物组成的电池的应 用。

背景技术

在化石能源日渐枯竭、环境污染日益严重的今天，电动汽车能降低温室气 体和有害烟尘的排放，其开发和应用越来越受到人们的广泛关注。为了实现可 持续发展，开发和利用新能源已成为世界各国的重要战略目标。其中，电化学 能源因其能量转换效率与能量密度高、无噪声污染、可随意组合和移动的优 点，成为最重要的研究课题之一。化学电源在高科技器件、绿色低能耗运输和 可再生能源等方面得到了开发和利用。金属锂由于具有质量密度低，能量密度 高，电极电势最负(-3.046V)及电子电导高等特点，近几十年来，以它为基础 发展的锂电池已成为了电化学能源中研究与应用的重点(参见：吴宇平，戴晓 兵，马军旗，程预江.《锂离子电池—应用与实践》)。目前，商品化锂离子电 池已在小型的移动储存设备中得到了广泛的应用；然而价格高、安全性能差以 及能量密度低等问题，制约着锂离子电池在新能源电动汽车上的进一步发展。

锂-空气电池作为一种新型的锂电池体系，以金属锂为电池负极(阳极)，空 气中的氧气为正极活性物质(阴极)，具有接近于化石能源的超高能量密度， 尽管锂-空气电池呈现出良好的应用前景。然而，锂-空气电池的商品实用化之 路仍然漫长，一些关键性问题仍有待解决：有机溶剂对氧的不稳定，循环性能 较差，空气中的氧存在多种有害杂质例如二氧化碳、灰尘、水分等问题一直限 制了传统有机锂空气电池体系的应用(参见Peter Bruce等，Nat.Mater.，2012 年，第11卷，第19-29页)。采用混合溶剂的锂空气电池体系能够解决充电时 产生的不溶产物堵塞空气电极，进而能够改善循环性能，同时采用凝胶聚合物 电解质作为缓冲层有效地抑制锂枝晶的产生(王旭炯，曲群婷，刘丽丽，侯宇 扬，吴宇平，名称：一种高能量密度充放电锂电池，中国发明专利: 201210195152.2，申请日期2012年6月14日)。

过氧化氢(H₂O₂)是人们熟知的一种由氢和氧元素组成的化合物，作为氧化剂 代替氧气(O₂)而广泛使用，是一种具有潜力的新能源载体。H₂O₂的氧化还原过 程是两电子电化学反应过程，具有快速的氧化还原反应动力学，并被广泛研究, 而且过氧化氢作为不含碳的燃料，其反应产物是氧气或水，属于零污染和零碳 产物排放，并且这些产物广泛存在于自然界之中，对环境友好；同时液态过氧 化氢比气态氧(O₂)更容易储存和处理。因此基于双氧水的燃料电池的开发一直 受到人们的广泛关注(参见Yusuke Yamada等Energy Environ.Sci.，2011年， 第4卷，第2822-2825页)。近年来，H₂O₂已经普遍代替O₂用作一些低温液体 燃料电池的氧化剂，如金属半燃料电池、直接硼氢化物燃料电池、直接肼燃料 电池等。但是这些燃料电池的电压低，不能进行充放电，资源的利用效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由金属与过氧化物组成的高能量密度充放电电 池及其应用，以克服锂空气电池有机溶剂对氧的不稳定，充电时产生的不溶产 物堵塞空气电极，循环性能差以及空气需要从外部进来等问题。

本发明提供的高能量密度充放电电池，由隔膜、负极、正极和电解质组 成，其中：

(1)所述隔膜为固体，且碱金属离子能够可逆通过该隔膜；

(2)所述负极含有碱金属，或含有碱金属之间的合金，或含有碱金属与其它 金属组成的合金；

(3)所述正极为含过氧化物(ROOR′)和金属盐的混合水溶液；

(4)所述电解质分为负极侧的电解质和正极侧的电解质；负极侧的电解质为 有机电解液、聚合物电解质或离子液体电解质，或它们的混合物；正极侧的电 解质为含金属盐的水溶液或水凝胶。