[发明专利]一种新型锌碘水溶液电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种新型锌碘水溶液电池及其制备方法。新型的锌碘水溶液电池总共有三个腔室构成，在常规的两腔室中间加入一个新的腔室，分别用阴/阳离子膜进行隔离，中间腔室实现了阴/阳离子的分离和汇聚，具有决定电池性能的特性。本发明的工作电极采用碳量子点处理的石墨毡，中间腔室为一定浓度的锌碘溶液，阳极电解液为含锌离子溶液，阴极电解液为含碘离子溶液。这种锌碘电池能够很好的抑制锌碘电池的自放电现象，提高电池的工作稳定性，并能很好地抑制锌枝晶的生成，提高锌碘电池的循环性。与已知技术相比较，此种结构的水溶液锌碘电池具有优异的循环性能和储能稳定性。这项发明有助于扩展水溶液锌离子电池的应用范畴。

技术领域

本发明属于水溶液电池储能领域，具体为一种锌碘电池结构设计方法，以及这种锌碘电池的制作方法，属于材料科学与工程领域。

背景技术

相比于占市场统治地位的锂离子电池，水系电池比目前使用的有机电解液的非水系锂离子、钠离子和钾离子电池更安全，水系电解质也展现出巨大的竞争力，(1)低成本，不需无氧和干燥装配线，电解液和制造成本低；(2)由于水的非挥发性，从而展现无毒性和不可燃性；(3)由于水系介质的高离子导电性而具有快速充电和高功率密度的能力；(4)对电气和机械误处理的高耐受性等，因此水系离子二次电池依然具有很大的研发进步空间。锌碘电池由于所用电解液碘化锌(ZnI₂)是一种环境友好材料、无毒且不易燃烧，因而受到了国内外研究人员的广泛关注。2015年，美国西北太平洋国家实验室的李斌及其团队首次提出了水系锌碘液流电池的概念[Li,B.et al.Ambipolar zinc-polyiodide electrolytefor a high-energy density aqueous redox flow battery.Nat.Commun.6,6303]，该电池的电解液采用 5摩尔每升的碘化锌溶液，放电能量密度高达167瓦时每升。近年来，静态锌碘电池的发展引起了人们的关注(专利：一种锌碘电池结构，CN201711142958.4)，此种新型锌碘电池可以降低器件结构的复杂度，去掉液体循环系统，然而锌碘电池的自放电问题以及循环稳定性仍大大阻碍着锌碘电池体系的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型锌碘水溶液电池，此种电池有三个腔室构成，之间利用阴/阳离子膜隔开，石墨烯量子点修饰的石墨毡作为工作电极。借由上述技术方案，生产了一种新型的锌碘电池，中间腔室实现了阴/阳离子的分离和汇聚，具有决定电池性能的特性，使得此种结构的锌碘电池能够抑制锌枝晶的生成，提高电池循环性，并且很好的抑制了锌碘电池的自放电现象。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种新型锌碘水溶液电池，包括三个腔室，中间腔室为缓冲溶液，另外两个腔室分别为阳极溶液和阴极溶液；所述的阳极溶液与阳极之间通过阳离子膜CEM 分隔开，阴极溶液与阴极之间通过阴离子膜AEM分隔开；阳极与阴极之间连接有电源或器件。借由上述技术方案，构建了一种新型的锌碘电池。

所述的缓冲溶液为一定浓度的锌碘溶液，锌碘溶液浓度变化范围1-7摩尔每升。阳极电解液为含锌离子溶液，阴极电解液为含碘离子溶液，阳极电解液为含锌离子的水溶液，电解质可以是不同溶液浓度的硫酸锌，氟化锌，溴化锌，氯化锌，醋酸锌等，阴极电解液为含碘离子水溶液，电解质可以是不同溶液浓度的碘化锂，碘化钠，碘化钾等。

此种锌碘电池能够抑制锌锌枝晶的生成，提升锌碘电池的循环性，并且能很好的抑制锌碘电池的自放电现象。

上述新型锌碘水溶液电池的制备方法，包括以下步骤：

第一步、将石墨毡切成1cm×1cm的小片作为基材，并在乙醇和去离子水中超声清洗，然后60℃干燥24小时；

第二步、将2-10克柠檬酸放入坩埚中，在100-400℃下加热直至柠檬酸融化，并显示橙色。在剧烈搅拌下，将橙色液体滴加到10-50mL的质量浓度2-10mg /mL的NaOH溶液中，并用相同质量浓度的NaOH将溶液的pH值中和至7.0，最终形成石墨烯量子点溶液；