本發(fā)明涉及電化學(xué)。具體而言，本發(fā)明涉及一種具有寬電化學(xué)穩(wěn)定窗口的超濃縮氫氧化物電解質(zhì)及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、近年來，可充電鋅電池因其高安全性、高能量密度、環(huán)境友好以及鋅金屬成本低廉而受到廣泛關(guān)注。鋅電池的工作原理取決于其所采用的電解質(zhì)的酸堿性質(zhì)不同。堿性鋅電池由于其相對(duì)于中性電池的顯著優(yōu)勢(shì)而脫穎而出。在堿性電解質(zhì)中，鋅陽極的放電過程涉及鋅與氧化鋅之間的短距離轉(zhuǎn)化，從一定程度上有助于減輕形狀變化和枝晶的形成。因此，堿性鋅電池通?？梢詫?shí)現(xiàn)大于10mah/cm2的高面積容量。

2、此外，鋅電極作為鎳氫電池中金屬氫化物的可行替代品，利用已建立的陰極和電池結(jié)構(gòu)，可以帶來即時(shí)的實(shí)際效益。然而，由于電極界面存在幾個(gè)關(guān)鍵問題，特別是循環(huán)過程中的析氫反應(yīng)(her)和鋅陽極鈍化，尚未完全實(shí)現(xiàn)可充電堿性鋅電池的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。

3、從理論上講，這些界面現(xiàn)象與電解質(zhì)中堿性氫氧化物的濃度密切相關(guān)。在放電過程中，電解質(zhì)中氧化鋅的溶解度決定了氧化鋅離子的儲(chǔ)存模式，其與濃度呈正相關(guān)。當(dāng)超過其溶解度時(shí)，由氧化鋅釋放形成的鈍化層限制了鋅電池在高放電深度(dod)下的運(yùn)行。同時(shí)，由于傳統(tǒng)堿性電解質(zhì)中鋅/鋅離子的平衡電位較可逆氫電極低，析氫反應(yīng)在熱力學(xué)上傾向于優(yōu)先發(fā)生，導(dǎo)致電解質(zhì)體積損失和庫侖效率(ce)降低。

4、針對(duì)這些挑戰(zhàn)，需要一個(gè)可行的解決方案同時(shí)提高氧化鋅的溶解度并加強(qiáng)電解質(zhì)本身的電化學(xué)穩(wěn)定性。本發(fā)明解決了這一需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、先前的研究未利用高濃度的金屬氫氧化物和氧化物，以實(shí)現(xiàn)在廣泛的電化學(xué)范圍內(nèi)低水活性。此外，報(bào)道的電池在深度放電時(shí)未顯示出高效率和長期穩(wěn)定性。本發(fā)明旨在擴(kuò)展堿性電解質(zhì)的窄電化學(xué)窗口，以應(yīng)用于高電壓、高能量密度的可充電電池。

2、在第一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種具有增強(qiáng)循環(huán)穩(wěn)定性和庫侖效率的可充電堿性電池。該電池包括一個(gè)使用陰極材料制備的陰極，并連接到第一端、一個(gè)使用陽極材料制備的陽極，并連接到第二端、一個(gè)較高濃度的氫氧化物電解質(zhì)以及位于所述陽極和所述陰極之間的至少一個(gè)多孔隔膜。氫氧化物電解質(zhì)包括溶質(zhì)和溶劑，濃度至少為10m。它將總體反應(yīng)中的析氫反應(yīng)從約20％抑制至不到5％。

3、在一個(gè)實(shí)施方案中，陽極材料包括鋅、鋅合金、氫氧化鋅、氧化鋅或其他堿性溶解度低的鋅化合物。

4、在一個(gè)實(shí)施方案中，陰極材料包括氧化鎳水合物。

5、在一個(gè)實(shí)施方案中，該電池包括至少一個(gè)多孔隔膜，包括非織造纖維素膜、聚合物薄膜、離子選擇性膜和玻璃纖維隔膜。

6、在一個(gè)實(shí)施方案中，充電堿性電池包括鎳鋅電池、銀鋅電池和鋅空氣電池。

7、在一個(gè)實(shí)施方案中，溶質(zhì)是一個(gè)或多個(gè)堿金屬氫氧化物，選自氫氧化鋰、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、氫氧化鋁或其組合。溶劑包括去離子水、乙醇和二甲基亞砜。一種或多種堿金屬氫氧化物的濃度為1-20mol/l。

8、在另一個(gè)實(shí)施方案中，溶質(zhì)還包括含有氧化鋅、氧化鋁、氧化硼、氧化錫或其組合的金屬氧化物。金屬氧化物的濃度為0.001-5mol/l。

9、本發(fā)明利用高濃度的金屬氫氧化物和/或氧化物，限制水的活性，從而擴(kuò)展了較大的電化學(xué)窗口，同時(shí)通過氫氧根離子的結(jié)構(gòu)擴(kuò)散，保持了高離子導(dǎo)電率。當(dāng)氫氧化物濃度達(dá)到15m時(shí)，電解質(zhì)的實(shí)際電化學(xué)窗口可以擴(kuò)展至至少2.1v，在室溫下的離子導(dǎo)電率至少為0.2s/cm。

10、當(dāng)應(yīng)用于可充電堿性電池(例如堿性鋅電池)時(shí)，電解質(zhì)可以顯著抑制氫氣的生成量，從而使電池在長時(shí)間的深度循環(huán)中保持穩(wěn)定。

11、在以15ma/cm2的速率進(jìn)行充放電、40％的dod循環(huán)時(shí)，可充電堿性電池經(jīng)過290次循環(huán)后，容量保持率高達(dá)80％以上。

12、在以30ma/cm2的速率進(jìn)行充放電、60％的dod循環(huán)時(shí)，可充電堿性電池經(jīng)過90次循環(huán)后，容量保持率高于95％，并保持至少95％的庫侖效率，在保持特定容量為60％的情況下繼續(xù)運(yùn)行超過135次。

13、優(yōu)選地，在以30ma/cm2的速率進(jìn)行充放電、60％的dod循環(huán)時(shí)，可充電堿性電池經(jīng)過90次循環(huán)后，容量保持率高于96.77％，并保持至少96.77％的庫侖效率，在保持特定容量為60％的情況下繼續(xù)運(yùn)行超過135次。

技術(shù)特征：

1.一種具有增強(qiáng)循環(huán)穩(wěn)定性和庫侖效率的可充電堿性電池，其特征在于，其中所述可充電堿性電池包括:

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可充電堿性電池，其中所述可充電堿性電池進(jìn)一步包括一個(gè)墊片。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可充電堿性電池，其中所述陽極材料包括鋅、鋅合金、氫氧化鋅、氧化鋅或其他堿溶性低的鋅化合物。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可充電堿性電池，其中所述陰極材料包括氧化鎳水合物。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可充電堿性電池，其中所述至少一個(gè)多孔隔膜包括非織造纖維素膜、聚合物薄膜、離子選擇性膜和玻璃纖維隔膜。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可充電堿性電池，其中所述可充電堿性電池包括鎳鋅電池、銀鋅電池和鋅空氣電池。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可充電堿性電池，其中所述溶質(zhì)是堿金屬氫氧化物，所述堿金屬氫氧化物選自氫氧化鋰、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、氫氧化鋁或其組合物中的一者或多者。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的可充電堿性電池，其中所述堿金屬氫氧化物的濃度范圍為1-20mol/l。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的可充電堿性電池，其中所述溶質(zhì)還包括鋅氧化物、氧化鋁、氧化硼、氧化錫或其組合物。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的可充電堿性電池，其中所述金屬氧化物的濃度為0.001-5mol/l。

11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可充電堿性電池，其中所述溶劑包括去離子水、乙醇和二甲基亞砜。

12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可充電堿性電池，其中所述可充電堿性電池在室溫下表現(xiàn)出至少0.2s/cm的離子導(dǎo)電率。

13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可充電堿性電池，其中所述氫氧化物電解質(zhì)的實(shí)際電化學(xué)窗口擴(kuò)展到至少2.1v。

14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可充電堿性電池，其中以30ma/cm2的速率進(jìn)行充放電、60％的放電深度循環(huán)時(shí)，所述可充電堿性電池在90次循環(huán)后保持容量保持率高于95％，保持至少95％的庫侖效率，并在保持特定容量至少為60％的情況下繼續(xù)運(yùn)行超過135次。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種具有增強(qiáng)循環(huán)穩(wěn)定性和庫侖效率的可充電堿性電池。該電池包括一個(gè)使用陰極材料制備的陰極，與第一端連接、一個(gè)使用陽極材料制備的陽極，與第二端連接、一個(gè)具有較高濃度的氫氧化物電解質(zhì)以及至少一個(gè)位于陽極和陰極之間的多孔隔膜。氫氧化物電解質(zhì)抑制總體反應(yīng)中的析氫反應(yīng)，從約20％降低至不到5％。以15mA/cm<supgt;2</supgt;的速率進(jìn)行充放電、40％的放電深度(DOD)循環(huán)時(shí)，可充電堿性電池經(jīng)過290次循環(huán)后，容量保持率高達(dá)80％以上。

技術(shù)研發(fā)人員：陳擎,馬一琳,李良昱
受保護(hù)的技術(shù)使用者：香港科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26