[发明专利]一种水相电解质体系锌碘二次电池及其制备方法

说明书

本发明公开一种水相电解质体系锌碘二次电池及其制备方法。该电池包含正极、负极、水相电解质和隔膜。所述正极是含碘复合材料，负极是纯锌或锌基合金，水相电解质是锌盐水溶液。该电池在工作时发生锌与碘之间的可逆化学反应，与基于锌离子在正极材料中可逆嵌入与脱出类型的锌离子电池有本质区别。所构筑的锌碘二次电池构造简单、安全性好、能量密度高，所用材料成本低廉、环境友好，有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于储能技术领域，特别涉及一种水相电解质体系锌碘二次电池及其制备方法。

背景技术

由于金属锌具有电极电势低，能量密度高、环境友好、在水中稳定等优点，基于水相电解质的锌二次电池因此被视为一种有前途的能源存储器件，在最近十年引起了人们的关注。2012年，清华大学康飞宇课题组报道了可稳定循环100次的水相锌/二氧化锰电池(Xu,C.,Li,B.,Du,H.&Kang,F.Energetic Zinc Ion Chemistry:The Rechargeable ZincIon Battery.Angew.Chem.Int.Ed.51,933)。中国专利CN 105449194 A公开了一种锌镍电池正极材料的制备方法。该专利构筑的锌镍电池能量密度较高，并可以循环900次。2017年，加拿大Nazar课题组报道了水相锌钒电池(Kundu,D.,Adams,B.D.,Duffort,V.,Vajargah,S.H.&Nazar,L.F.A high-capacity and long-life aqueous rechargeable zincbattery using a metal oxide intercalation cathode.Nature Energy1,16119)。该电池能量密度可达450Wh L^-1，并且可稳定循环1000次以上。但是，水相锌电池的发展仍面临着诸多困难，如电池容量随循环衰减严重、电极材料制备工艺复杂、电极材料原料有毒等。

碘是一种具有高能量密度的电极材料，且来源广泛、成本低廉、环境友好。基于锌与碘之间的可逆化学反应的电池设计有望获得具有高能量密度且绿色廉价的二次电池。上世纪八十年代，日本科学家进行了一些相关的初步研究，但是普遍面临正极载碘量有限、电池容量衰减剧烈的问题。2015年，美国西北太平洋国家实验室的王伟等人报道了水相锌碘液流电池(Li,B.et al.Ambipolar zinc-polyiodide electrolyte for a high-energydensity aqueous redox flow battery.Nat.Commun.6,6303)。在该电池设计中，锌元素和碘元素被存储于水相电解质中，电池能量密度达到167Wh L^-1，并可以稳定循环40次以上。然而液流电池适用于大规模储能应用领域，针对移动端应用领域的锌碘电池相关报道仍较少。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种制备过程简单、可应用于移动端的水相电解质体系锌碘二次电池。在简单温和的条件下获得高载碘量的活性物质，并与锌负极和安全友好的水相电解质组合得到锌碘二次电池。所得电池具有成本低廉、安全性高、环境友好、能量密度高、自放电率低的特点，具有广泛的应用前景。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种水相电解质体系锌碘二次电池，其特征在于，包含水相电解质、负极、正极和隔膜，电池工作时发生锌与碘之间的可逆化学反应，该可逆化学反应中不形成多碘化物，其中，所述水相电解质为锌盐水溶液，负极为纯锌或锌基合金，正极为含碘复合材料。

所述水相电解质为锌盐的水溶液，将锌盐溶解于去离子水中，搅拌均匀后得到水相电解质，水相电解质中锌离子的浓度为0.1～5.0摩尔/升，其中所述锌盐为硝酸锌、硫酸锌、碘化锌、氯化锌、高氯酸锌、双三氟甲基磺酰亚胺锌的一种或几种。

所述负极为抛光并清洗后的纯锌或锌基合金，其中所述锌基合金中锌含量高于60％，所述抛光方式为机械抛光或手工打磨。