[发明专利]一种三室结构的锌-聚合物水系可充电电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高电压、耐低温、三室结构的锌‑聚合物水系可充电电池及其制备方法，包括正极、负极、阳离子隔膜、阴离子隔膜、正极电解液、负极电解液和中间过渡电解液，正极是通过循环伏安法将有机小分子聚合并沉积到多孔活性炭基底制备得到，依靠聚合物与电解液离子之间的氧化还原反应赋予器件较高的比电容，阳、阴离子膜将正极和负极分别置于不同的反应环境，有效抑制析氧和析氢反应，使电池的工作电压达到2.5 V，放电平台在1.7~1.9 V之间，取决于聚合物以及电解液的选择。

技术领域

本发明属于电化学储能器件、二次电池技术领域，尤其涉及一种具有三室结构且宽电压窗口的锌-聚合物水系可充电电池及其制备方法。

背景技术

日益增长的能源需求和严重的环境污染使人们意识到要摆脱对化石燃料的依赖，对可再生能源的开发导致对电能储存需求激增。可充电水系锌离子电池（ZIBs）因其锌负极具有价格低廉、高比容量（820 mAh g⁻¹）、与水良好相容性等优势，获得广泛关注。然而，水系电池受限于水电解反应，导致器件的工作电压和能量密度低于有机系电解液的电池。目前研究表明在保证电解液不分解的前提下，通过增加析氢和析氧的过电压可以适当拓宽水系电池的电压区间，但要将工作电压扩大到2 V以上仍然是一个很大的挑战。此外，由于聚合物正极材料来源广泛、结构稳定、制备可控性强等特点，使得锌-聚合物体系受到人们青睐。但是，聚合物放电平台一般低于1.2 V，限制其应用的潜力，所以如何提升其电压平台也是亟待解决的问题。

水系电解液具有高安全性、低成本、高离子导电率等特点，但其冰点不够低，导致器件在严寒冬季条件下失效。目前，耐低温水系电解液的研究主要集中于引入有机共溶剂，如：甲醇，乙二醇，丙三醇等，但是有机溶剂易挥发，具有一定的毒性，并且低温下粘度增大，导致电池内阻增大，这些问题制约其大规模应用。因此，制备一种耐低温、环保、同时具有高离子电导率的电解液对于实际应用具有重要意义。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种具有三室结构和宽电压窗口的锌-聚合物水系可充电电池及其制备方法，具体涉及一种具有三室结构、宽电压窗口的锌-聚合物锌离子二次电池及其耐低温电解液的制备方法，能够使器件在–20 ℃正常充放电，放电电压平台可以达到1.9 V。本发明的具体技术方案如下：

一种三室结构的锌-聚合物水系可充电电池，包括壳体、正极、负极、阳离子隔膜、阴离子隔膜、正极电解液、负极电解液和中间过渡电解液，其中，

所述正极与所述负极之间依次布置所述阴离子隔膜和所述阳离子隔膜，形成三室结构，其中，所述正极与所述阴离子隔膜之间形成正极腔室，内部为正极电解液；所述阴离子隔膜和所述阳离子隔膜之间形成中间过渡腔室，内部为中间过渡电解液；所述阳离子隔膜与所述负极之间形成负极腔室，内部为负极电解液。

进一步地，所述正极以多孔活性炭粉为基底，采用循环伏安法将1,4-苯醌，2,3-二氯-5,6-二氰基对苯醌，2,5-二羟基-1,4-苯醌中的任意一种电沉积于基底上，制备聚合物正极。

进一步地，所述负极为锌，采用高纯锌片，锌粉与氧化锌混合物，三维锌泡沫或锌合金。

进一步地，所述正极电解液为酸性体系，所述负极电解液为碱性体系，所述中间过渡电解液为中性体系。

进一步地，所述正极电解液为硫酸，磷酸或四氟硼酸中的一种或两种以上的混合液。

进一步地，所述负极电解液为氢氧化钾，氢氧化锂中的一种或两种的混合液。

进一步地，所述中间过渡电解液为硫酸钾，硫酸锂，四氟硼酸锂，四氟硼酸钾中的一种或两种以上的混合液。

一种三室结构的锌-聚合物水系可充电电池的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备聚合物正极：