一种气体负极电池及其制作方法与流程

本发明涉及储能器件领域，特别是涉及一种气体负极电池及其制作方法。

背景技术：

近几十年来以锂离子电池为代表的二次储能电池得到了广泛的应用，二次电池储能技术也取得了长足的进步。但是，大规模储能电池、动力电池、高能量密度移动设备二次电池对二次电池的质量能量密度、体积能量密度以及储能廉价性提出了更高的要求，由此发展出了更多的储能体系，钠离子电池、钾离子电池、金属氧气电池、锂硫电池等，其中金属氧气电池使用氧气作为正极活性材料，极大提高了电池的能量密度，其中锂氧气电池是我们已知的能量密度最高的二次储能电池。对金属负极锂负极、钠负极的研究也取得了长足进步。但是不管在液态电解质体系还是固态电解质体系下，金属负极都带来了许多问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种气体负极电池及其制作方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种气体负极二次电池，其包括正极、负极、电解质及用于封装所述正极、所述负极及所述电解质的壳体，所述负极包括负极活性材料和一个多孔结构的负极导电膜片，所述负极活性材料为气体，所述负极导电膜片位于所述电解质远离所述正极的一侧，并与所述电解质的一侧接触；所述正极与所述电解质的另一侧接触，所述正极包括能够可逆释放/获取一种或几种离子的正极活性材料；所述电解质能够可逆传输所述正极和所述负极所包含的储能离子。

进一步地：

所述负极活性材料反应后的产物的状态是气态，或溶解于电解质，或形成沉淀，所述负极活性材料选自氢气、氮气、氧气、氯气、水蒸气、氯化氢气体、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氨气、一氧化氮、二氧化氮、甲烷中的一种或几种。

所述正极活性材料为锂、钠、钾、镁、钙、锌离子电池、锂硫电池正极材料、气体正极材料中的一种或几种。

所述气体正极材料为氢气、氮气、氧气、氯气、水蒸气、氯化氢气体、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氨气、一氧化氮、二氧化氮、甲烷中的一种或几种。

所述电解质为液态、固态或准固态电解质，能够传输一种或几种所述正极和所述负极所包含的储能离子。

一种气体负极二次电池的制备方法，包括以下步骤：

提供一壳体，该壳体包括一腔体；

将正极置于所述腔体中；

将电解质置于所述腔体中覆盖所述正极；

将多孔结构的负极导电膜片固定于所述腔体内且位于所述电解质远离所述正极的一侧，且所述负极导电膜片与该电解质接触；

将负极气体活性材料充入所述腔体中并封装所述壳体。

进一步地：

所述负极活性材料反应后的产物状态是气态，或溶解于电解质，或形成沉淀，所述负极活性材料选自氢气、氮气、氧气、氯气、水蒸气、氯化氢气体、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氨气、一氧化氮、二氧化氮、甲烷中的一种或几种。

所述正极活性材料为锂、钠、钾、镁、钙、锌离子电池、锂硫电池正极材料、气体正极材料中的一种或几种。

所述气体正极材料为氢气、氮气、氧气、氯气、水蒸气、氯化氢气体、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氨气、一氧化氮、二氧化氮、甲烷中的一种或几种。

所述电解质为液态、固态或准固态电解质，能够传输一种或几种所述正极和所述负极所包含的储能离子。

本发明具有如下有益效果：

本发明的气体负极二次电池实现了使用气体作为电池负极活性材料，可以极大地降低电池本体的重量，提高了电池的能量密度，电池循环性能好。

附图说明

图1为本发明实施例的气体负极二次电池的结构示意图；

图2为气体负极二次电池实例1的电池循环数据图；

图3为气体负极二次电池实例2的电池循环数据图。

附图标记说明：

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，在一种实施例中，一种气体负极二次电池1，其包括正极4、负极6、电解质5及用于封装所述正极4、所述负极6及所述电解质5的壳体2，所述负极6包括负极活性材料7和一个多孔结构的负极导电膜片8，所述负极活性材料7为气体，所述负极导电膜片8位于所述电解质5远离所述正极4的一侧，并与所述电解质5的一侧接触；所述正极4与所述电解质5的另一侧接触，所述正极4包括能够可逆释放/获取一种或几种离子的正极活性材料，其电位高于负极材料，以使电池的工作电压大于零；所述电解质5能够可逆传输所述正极4和所述负极6所包含的储能离子。

在优选的实施例中，所述负极活性材料7反应后的产物的状态是气态，或溶解于电解质，或形成沉淀，所述负极活性材料7选自氢气、氮气、氧气、氯气、水蒸气、氯化氢气体、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氨气、一氧化氮、二氧化氮、甲烷中的一种或几种。

在优选的实施例中，所述正极活性材料为锂、钠、钾、镁、钙、锌离子电池、锂硫电池正极材料、气体正极材料中的一种或几种。

在更优选的实施例中，所述气体正极材料为氢气、氮气、氧气、氯气、水蒸气、氯化氢气体、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氨气、一氧化氮、二氧化氮、甲烷中的一种或几种。

在优选的实施例中，所述电解质5为液态、固态或准固态电解质，能够传输一种或几种所述正极和所述负极所包含的储能离子。

一种气体负极二次电池1的制备方法，包括以下步骤：

提供一壳体2，该壳体2包括一腔体3；

将正极4置于所述腔体3中；

将电解质5置于所述腔体3中覆盖所述正极4；

将多孔结构的负极导电膜片8固定于所述腔体内且位于所述电解质5远离所述正极4的一侧，且所述负极导电膜片8与该电解质5接触；

将负极气体活性材料充入所述腔体3中并封装所述壳体2。

在优选的实施例中，所述负极活性材料7反应后的产物状态是气态，或溶解于电解质，或形成沉淀，所述负极活性材料7选自氢气、氮气、氧气、氯气、水蒸气、氯化氢气体、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氨气、一氧化氮、二氧化氮、甲烷中的一种或几种。

在优选的实施例中，所述正极活性材料为锂、钠、钾、镁、钙、锌离子电池、锂硫电池正极材料、气体正极材料中的一种或几种。

在更优选的实施例中，所述气体正极材料为氢气、氮气、氧气、氯气、水蒸气、氯化氢气体、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氨气、一氧化氮、二氧化氮、甲烷中的一种或几种。

在优选的实施例中，所述电解质5为液态、固态或准固态电解质，能够传输一种或几种所述正极和所述负极所包含的储能离子。

在一些具体实施例中，本发明的气体负极二次电池包括正极、负极、电解质及用于封装该正极、负极及电解质的壳体，该负极为负极活性材料和一个多孔结构的负极导电膜片，负极活性材料为气体；正极为正极活性材料和导电网络构成的膜片；电解质可可逆传输正极和负极所包含的储能离子。气体负极二次电池负极发生阴极反应前活性材料为气体，反应后产物状态可以是气态、或溶解于电解质、或形成沉淀，该气体可选自氢气、氮气、氧气、氯气、水蒸气、氯化氢气体、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氨气、一氧化氮、二氧化氮、甲烷中的一种或几种。正极活性材料为可可逆释放/获取某一种或某几种离子的材料，可选自锂、钠、钾、镁、钙、锌离子电池、锂硫电池正极材料、气体正极材料(氢气、氮气、氧气、氯气、水蒸气、氯化氢气体、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氨气、一氧化氮、二氧化氮、甲烷)中的一种或几种。电解质可以为液态、固态、准固态电解质，可以传输一种或几种可逆与正极活性材料和负极活性材料反应、嵌入/脱嵌、结合/脱离的离子。

图1示意的本发明实施例的气体负极二次电池1，包括正极4、电解质5、负极6，其中负极6包括负极活性材料7和负极导电膜片8，以及用于封装它们的壳体2。壳体2具有一腔体3，可容纳正极4、电解质5、负极6置于该腔体3中。组装气体负极二次电池1的步骤为，依次将正极4、电解质5、负极导电膜片8置于腔体3中，并使电解质5良好的隔开正极4和负极导电膜片8，然后向腔体3中充入气体负极活性材料7，封闭腔体3。

下面通过制作实例来对本发明实施例的气体负极二次电池的结构和制作方法进行具体说明。

实例1

正极4的制备：将钴酸镁、导电炭黑和胶黏剂混合，并经过搅拌常温压制得到正极4。

电解质5的制备：将双(六甲基二硅叠氮)镁(mg(hmds)2)溶解于二乙二醇二甲醚(degdme)中，配制成3.0mol/l的液态电解质5。

气体负极二次电池1的组装：将正极4置于腔体3中，加入液态电解质5，使用碳纸作为负极导电膜片8固定于腔体3中紧密接触电解质5且远离正极4，充入氢气作为负极活性材料7，最后封装壳体2，得到气体负极二次电池1。

气体负极二次电池1工作电压1.7-2.3v。工作时先充电，mg²⁺从正极活性材料钴酸镁中脱出，经电解质5传输到负极侧，与负极活性材料7氢气结合生成固态h2mg。放电时h2mg分解释放出负极活性材料7氢气，mg²⁺经电解质5传输到正极侧，重新插入正极活性材料钴酸镁。

图2所示为对实例1制作的气体负极二次电池进行实测的电池循环数据。

实例2

正极4的制备：将钴酸锂、导电炭黑和胶黏剂混合，并经过搅拌常温压制得到正极4。

电解质5的制备：使用lagp粉末烧结制备固态电解质5。

气体负极二次电池1的组装：将正极4置于腔体3中，加入固态电解质5，使用金属铂网作为负极导电膜片8固定于腔体3中紧密接触电解质5且远离正极4，充入氨气作为负极活性材料7，最后封装壳体2，得到气体负极二次电池1。

气体负极二次电池1工作电压1-2v。工作时先充电，li⁺从正极活性材料钴酸锂中脱出，经电解质5传输到负极侧，与负极活性材料7氨气结合生成固态氨基锂和氢气。放电时氨基锂和氢气脱锂并重新释放出负极活性材料7氨气，li⁺经电解质5传输到正极侧，重新插入正极活性材料钴酸锂。

图3所示为对实例2制作的气体负极二次电池进行实测的电池循环数据。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。