一种高电压无金属负极水系锌碘电池及其制备方法

本发明属于水系锌离子电池，具体涉及一种高电压无金属负极水系锌碘电池及其制备方法。

背景技术：

1、低碳能源如风能、太阳能引起了科学家们广泛的研究兴趣。然而这些能源发电方式受外界条件如地形条件、气候条件等因素影响大，具有波动性和不确定性的特点，难以为储能器件提供稳定且连续的供电。因此，亟需先进的储能设备为电网的稳定运行保驾护航。便携式电子产品、电动汽车和电网储能技术的蓬勃发展，刺激了对可靠和高效的电化学储能设备日益增长的需求。水系锌碘电池具有低成本、高安全性、高理论比容量、高能量密度、高倍率性能等优势，被认为是未来电能源存储领域最具应用前景的候选器件之一。

2、目前研究人员正在研究或已实现应用的无金属负极水系锌碘电池中，得益于其无负极体系，这种电池具有成本低、质量能量密度较高等特点，但这种电池体系仍存在工作电压低、循环寿命短的缺点，使其难以应用在实际储能器件中。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种高电压无金属负极水系锌碘电池及其制备方法，所提供的高电压无金属负极水系锌碘电池具有超高的电压平台、能量效率及优异的循环稳定性。

2、为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

3、第一方面，一种高电压无金属负极水系锌碘电池的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)以去离子水为溶剂，将锌盐溶解于溶剂中并滴加浓盐酸，进行加热搅拌后，将有机腈类溶剂加入混合溶剂中进行搅拌，制备成透明、澄清的水系/有机杂化电解液；

5、(2)将单质碘与超级电容活性炭混合，溶解于去离子水中，制得混合溶液待用；

6、(3)将导电碳黑与羧甲基纤维素钠添加到步骤(2)制备的混合溶液中，调成均匀的黑色浆料；

7、(4)将步骤(3)所得黑色浆料均匀涂覆于集流体上，待干燥后制得水系碘阴极待用；

8、(5)将玻璃纤维隔膜片放置于石墨纸阳极集流体与所述水系碘阴极之间，滴加步骤(1)所述水系/有机杂化电解液于隔膜中，与电池组件组合，在不同的充放电制式均能得到高电压无金属负极水系锌碘电池；

9、(6)将步骤(5)中高电压无金属无机水系锌碘电池于各种充放电制式工作。

10、优选地，步骤(1)中，锌盐为氯化锌、硫酸锌七水合物、三氟甲烷磺酸锌、醋酸锌、双三氟甲基磺酰亚胺锌或高氯酸锌中的一种或几种，所述锌盐的质量摩尔浓度为1～50molkg-1；去离子水与浓盐酸的质量比为1:0.1～0.3；

11、在滴加浓盐酸后，其搅拌条件为：反应温度控制在50～70℃，搅拌时间控制在10～15h。

12、优选地，步骤(1)中，所述有机腈类为乙腈、丁腈、1,3,6-己烷三腈、己二腈或丙烯腈中的一种或几种，去离子水与所述有机腈类溶剂的质量比为1：0.1～0.7；

13、在加入有机腈类后，其搅拌条件为：反应温度控制在15～30℃，搅拌时间控制在5～10h。

14、优选地，步骤(2)中，所述单质碘与超级电容活性炭的质量比为1:0.5～3；去离子水与单质碘的质量比为1:0.01～0.03。

15、优选地，步骤(3)中，所述混合溶液与导电炭黑、羧甲基纤维素钠以质量比6～8:1:1搅拌混合，其搅拌条件为反应温度控制在15～30℃，搅拌时间控制在72～141h。

16、优选地，步骤(3)中，所述导电碳黑为活性炭、cmk-3、乙炔黑、科琴黑、碳纳米管、石墨烯、天然石墨或人造石墨的一种或多种。

17、优选地，步骤(4)中，所述集流体为碳布、碳纸、钛片、钛网或石墨纸中的一种或多种。

18、优选地，步骤(4)中，所述干燥的条件为：于鼓风干燥箱中干燥，反应温度控制在40～70℃，干燥时间控制在8～15h。

19、优选地，步骤(5)中，所述不同的充放电制式为恒流充电-恒流放电、恒压充电-恒流放电、恒流恒压充电-恒流放电、恒功率充电-恒流放电或电池组恒流恒压充电-恒流放电中的一种或多种。

20、第二方面，本发明还提供采用上述制备方法制备的高电压无金属负极水系锌碘电池。

21、有益效果：本发明所提供的技术方法有效解决了无金属负极水系锌碘电池放电电压平台低、循环寿命短等问题，设计新型且有效的水系/有机杂化电解液及碘阴极，并以商业化的石墨纸为阳极集流体，构筑高电压无金属负极水系锌碘电池，大幅提升锌碘电池的倍率能力以及放电电压平台，在储能器件、电动车及智能家居领域具有较大的应用潜力与商业价值。

技术特征：

1.一种高电压无金属负极水系锌碘电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，锌盐为氯化锌、硫酸锌七水合物、三氟甲烷磺酸锌、醋酸锌、双三氟甲基磺酰亚胺锌或高氯酸锌中的一种或几种，所述锌盐的质量摩尔浓度为1～50mol kg-1；去离子水与浓盐酸的质量比为1:0.1～0.3；

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述有机腈类为乙腈、丁腈、1,3,6-己烷三腈、己二腈或丙烯腈中的一种或几种，去离子水与所述有机腈类溶剂的质量比为1：0.1～0.7；

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述单质碘与超级电容活性炭的质量比为1:0.5～3；去离子水与单质碘的质量比为1:0.01～0.03。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述混合溶液与导电炭黑、羧甲基纤维素钠以质量比6～8:1:1搅拌混合，其搅拌条件为反应温度控制在15～30℃，搅拌时间控制在72～141h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述导电碳黑为活性炭、cmk-3、乙炔黑、科琴黑、碳纳米管、石墨烯、天然石墨或人造石墨的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述集流体为碳布、碳纸、钛片、钛网或石墨纸中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述干燥的条件为：于鼓风干燥箱中干燥，反应温度控制在40～70℃，干燥时间控制在8～15h。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述不同的充放电制式为恒流充电-恒流放电、恒压充电-恒流放电、恒流恒压充电-恒流放电、恒功率充电-恒流放电或电池组恒流恒压充电-恒流放电中的一种或多种。

10.采用权利要求1-9任意一种制备方法制备的高电压无金属负极水系锌碘电池。

技术总结
本发明提供一种高电压无金属负极水系锌碘电池及其制备方法，属于水系锌离子电池技术领域，以常规的轻质石墨纸为阳极集流体且制备新型的碘阴极，以锌盐、水和有机溶剂为基本原料，加热搅拌配制成一定质量比的水系/有机杂化电解液。采用该电解液组装的无金属负极水系锌碘电池在大电流条件下表现出超1000圈的长循环稳定性，大幅提升电池的使用寿命，具有高达1.89V的电压平台，能量效率高达82.8％，提升了电池的快充性能，远优于传统的锌碘电池。通过本发明制备得到的高电压无金属负极水系锌碘电池具有高安全、低成本及性能优异等优势，在储能器件、电动车及智能家居领域具有较大的应用潜力与商业价值。

技术研发人员：唐永超,冯振锋,何江锋,李成超
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15