[发明专利]正负两极均为沉积/溶解反应的铜-锰水系二次电池

说明书

本发明属于电化学技术领域，具体为一种正负两极均为沉积/溶解反应的铜‑锰水系二次电池。该电池体系具体包括：负极集流体及正极集流体，含有二价铜离子和二价锰离子的水溶液电解液，以及用于分隔正负极的多孔隔膜。该电池在充电时，正极区的二价锰离子失去电子被氧化成固态的二氧化锰，并沉积在正极集流体上，负极区铜离子得到电子被还原成金属铜，并沉积在负极集流体上；放电时，正极的二氧化锰得到电子，还原为二价锰离子，并溶于电解液中，同时负极铜给出电子，氧化生成二价铜离子，并溶于电解液中。本发明电池具有超高的功率密度、超长的循环寿命、高安全和低毒的优点，可以广泛应用大型储能等领域。

技术领域

本发明属电池技术领域，具体涉及正负两极均为沉积/溶解反应的铜-锰水系二次电池。

背景技术

二十一世纪以来，全球不断增加的能源需求使得世界原油供应日益紧缩，使用化石燃料产生的环境问题，如全球变暖，越来越严重的雾霾天气，也越来越引起人们的重视。目前，新能源的开发利用已经成为我国政府的工作重点。现今各国指出加快提升水能、风能、太阳能、生物质能等可再生能源比重，要集中力量在可再生能源开发利用特别是新能源并网技术和储能技术上取得突破。然而，由于可再生能源(如风能，太阳能和潮汐能等)具有间歇性，其不连续，不稳定的特点加大了其大规模并入电网的难度，为了提高可再生能源的利用率，发展大规模储能电池系统是有效的途径之一。

目前有望应用于大型储能的电池体系可以被简单分为基于无水电解液电池体系和基于水溶液电解质的电池体系。例如，传统的锂离子电池采用无水有机溶液作为电解液，表现出高的工作电压。然而，高毒性且易燃的有机电解液会造成电池爆炸的危险，这一个问题在大型储能领域更为突出。高温钠-硫电池，采用液态熔融的电极，并不含有水系电解液，且表现出高的工作电压和能量密度，然而可燃金属钠电极和硫电极在高温下仍存在起火爆炸的危险，先前已有事故证实这一点。另方面，采用水溶液电解液则可以大幅度提升电池工作的安全性，其主要原因是含水电解液自身不可燃。因此，基于水溶液电解液的铅酸电池、镍-镉电池、镍氢电池、全钒液流电池、锌-溴液流电池以及近期发展起来的水系锂离子/钠离子电池等有望更加广泛地应用于大型储能领域。然而，上述水系电池体系的大规模使用仍旧面临这诸多挑战和瓶颈问题。首先，铅酸电池、镍-镉钒液流电池、锌-溴液流电池等均含有环境不友好的有毒元素，如铅离子、镉、镉离子、单质溴；其次，水系锂离子/钠离子电池和铅酸电池的电极反应涉及离子嵌入脱出和晶体结构的转化，表现出有限的循环寿命和功率密度；最后，现有商业化的钒液流电池、锌-溴液流电池必须采用昂贵且含氟的离子交换膜作为电池隔膜，在增加成本同时加剧可环境污染。

针对上述问题，本发明提出了基于正负极双沉积/溶解反应的铜-锰电池体系。其正极反应为锰离子(Mn²⁺)/二氧化锰(MnO₂)之间的溶解沉积反应，负极反应为铜(Cu)/铜离子(Cu²⁺)之间的溶解沉积反应，以同时含有二价铜离子和二价锰离子的水溶液作为电解液。与现有的电池体系相比，这一电池体系具有以下优点：第一，电极反应并不涉及不涉及铅(Pb)、镉(Cd) 、钒(V)等有毒元素；第二，并不采用有毒且可燃的有机电解液；第三，正负极均基于溶解沉积反应，不受离子在电极晶体结构内的扩散控制和相转化控制，表现出超高的功率特性；第四，与传统的液流电池相比，该电池体系不需要采用离子交换膜作为电池隔膜；第五，电极材料伴随着溶解沉积过程，不断更新，表现出超长的循环寿命。

发明内容

本发明的目的在于提出一种长寿命、高功率密度、高稳定的具有正负极双沉积/溶解反应的铜-锰水系二次电池。