[发明专利]用于高电压和可扩展能量储存的电解电池

说明书

描述了一种新的能量储存电池系统，其包括高度可逆的电解Zn‑MnO₂系统，其中采用Zn(阳极侧)和MnO₂(阴极侧)对的电沉积/电解，理论电压为约2V并且能量密度为约409Wh kg^‑1，其提供优异的耐用性和出色的能量密度。

发明领域

本发明的领域涉及可再充电电池，特别是具有增加的输出电压和放电容量的可再充电锌-二氧化锰(Zn-MnO₂)电池。

背景

对电池技术和开发，特别是在经济制备的同时还提供高容量储存和高效、可靠的放电而且重量轻的可扩展能量储存解决方案的开发存在高度关注和兴趣，以便能够满足目前应用诸如电动交通工具和绿色能量储存解决方案中的能量需求。

目前的电池类型包括锂离子电池、镍电池和铅酸电池，其中后者已经存在了相当一段时间。

例如，铅酸电池的制备相对低廉并且包括在酸性溶液中的铅板，广泛用于医院中的备用电源的储存以及计算机相关设备。

铅酸电池具有显著的缺点，不仅与它们使用铅板的环境影响有关，铅板虽然可以回收，但经常与高腐蚀性硫酸一起被丢弃。

锂离子电池由于其高电荷密度，在其长寿命方面经常被视为优选的替代物。锂离子电池使用有机溶液作为电解液，并且是可再充电的。这样的电池通常用于便携式电子设备领域，然而，它们具有有限的可再充电电池寿命(容量显著损失之前的完全充电-放电循环次数)，并且容易受到放热降解反应的影响。锂离子电池也可能会经历热失控事件，这会导致电池破裂，并且在极端情况下会导致内容物泄漏，这可能会存在显著的安全问题。锂离子电池也相对昂贵，每kWh(千瓦时)的成本为约300美元。铅酸电池每kWh的成本为约48美元，尽管存在储存和放电容量有限的缺点，但较低的成本被认为更具商业吸引力。

发明概述

在本发明的一个方面，虽然这不应被视为以任何方式进行限制，但存在可再充电的电解锌-二氧化锰电池，其包括阳极、无阴极基材和包含锌和锰离子以及酸的水性电解液，所述水性电解液具有小于2.5的pH值。

优选地，该电解液包含硫酸根离子。

优选地，该酸是H₂SO₄。

优选地，该阳极是锌阳极。

优选地，该锌阳极是锌泡沫阳极。

优选地，该阳极由碳和/或纯锌/锌合金中的至少一种制成。

优选地，将锌制备到石墨泡沫上以形成锌泡沫阳极。

优选地，该无阴极基材选自其他合适的集流体。

优选地，该无阴极基材是碳。

优选地，该无阴极基材是碳纤维布。

优选地，MnO₂在充电后沉积到无阴极基材上。

优选地，该电解液的pH控制为0-2.5。

优选地，该电解液的pH小于2.0。

优选地，该电解液的pH为2。

优选地，该电解液的pH小于1.5。

优选地，该电解液包含可溶性锌盐和可溶性锰盐。

优选地，本发明的可再充电锌-二氧化锰电池在恒定电压下充电。

优选地，该恒定电压为约2.00V至2.41V。